DE102008022230A1 - Device for reference related measurement of form and structure of aspherical lens, has length measuring sensor comprising sensor bodies connected with each other using rigid bond bridge and connected to sensor holder - Google Patents

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Abstract

The device has a table surface for receiving a test specimen object and a reference object. A sensor holder is movable in a spatial axis. A length measuring sensor has a sensor bodies connected with each other using a rigid bond bridge. The measuring sensor is connected to the sensor holder. The rigid bond bridge is arranged parallel to the table surface. The sensor holder is rotatably supported around an axis standing perpendicular to the table surface. The table surface and/or the distance sensor are movably supported parallel to each other.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur referenzbezogenen Messung von Form und Struktur einer Prüflings-Oberfläche mit einem Abstandssensor.The The invention relates to a device for reference-related measurement of shape and structure of a sample surface with a distance sensor.

Für die Vermessung von Prüflings-Oberflächen, wie z. B. Asphären, mittels bewegter Abstandssensoren ist eine hochgenaue und reproduzierbare Führung und Koordinatenmessung der Sensoren notwendig. Die Anzahl der Rotationsachsen sollte dabei auf zwei reduziert werden. Einige Geräte arbeiten mit drei Drehachsen.For the measurement of test specimen surfaces, such as z. As aspheres, by means of moving distance sensors is a highly accurate and reproducible guidance and coordinate measurement the sensors necessary. The number of rotation axes should be reduced to two. Some devices work with three Rotary axes.

Die Lagegenauigkeit von luftgelagerten Achsen kann heute auf ca. 30 nm reduziert werden. Bei zwei Achsen in einer Koordinaten-Portalmeßmaschine bedeutet dies eine Lagegenauigkeit von 60 nm. Da die Oberflächenvermessung für spezielle Anwendungen bis auf nm-Genauigkeit getrieben werden muß, sind auch diese besten Achslager ohne zusätzliche absolute Vermessung der Achsenlage nicht verwendbar. Zur Vermessung der Achsenposition relativ zum starren Lager werden heute kapazitive Meßverfahren eingesetzt. Damit lassen sich unter besten Verhältnissen dann etwa Meßgenauigkeiten von 10–20 mm erreichen. Der Aufwand für die Festigkeit der Meßmaschine wie auch die notwendige Temperaturstabilität von Meßmaschine und Umgebung ist entsprechend enorm und resultiert in kostenintensiven Geräten.The Positional accuracy of air-bearing axles can be up to 30 today nm can be reduced. With two axes in a coordinate portal measuring machine this means a positional accuracy of 60 nm. Since the surface measurement driven to nm accuracy for special applications must be, these are also the best axle bearings without additional Absolute measurement of the axis position can not be used. For surveying The axis position relative to the rigid bearing are now capacitive Measuring method used. This can be in the best conditions then achieve measurement accuracies of 10-20 mm. The effort for the strength of the measuring machine as well as the necessary temperature stability of measuring machine and environment is correspondingly enormous and results in costly Devices.

Aus DE 202 19 383 U1 ist ein Meßgerät zum Vermessen von Objektstrukturen bekannt, bei dem die Lage des Meßkopfes relativ zum Meßtisch über eine am Meßtisch angebrachte Referenzmarke bestimmt wird. In einer Auswerteeinrichtung sind die Meßdaten gespeichert, die der Sollposition der Referenzmarke bei korrekter Relativlage von Meßkopf und Meßtisch zueinander entsprechen. Die Auswerteeinrichtung ist zur Ermittlung von Abweichungen zwischen der gespeicherten Sollposition und einer aktuell gemessenen Istposition der Referenzmarke ausgebildet.Out DE 202 19 383 U1 a measuring device for measuring object structures is known, in which the position of the measuring head is determined relative to the measuring table via a mounted on the measuring bench reference mark. In an evaluation device, the measurement data are stored, which correspond to the desired position of the reference mark with the correct relative position of measuring head and measuring table to each other. The evaluation device is designed to determine deviations between the stored desired position and a currently measured actual position of the reference mark.

Bei dem bekannten Verfahren werden einem Referenz-Objekt zugeordnete Meßdaten in Relation zur Referenzmarke auf dem Meßtisch gespeichert. Bei einer geforderten Meßgenauigkeit und Auflösung im nm-Bereich wird die zu speichernde Datenmenge so groß, daß sie von aktuell verfügbaren Speichermedien nicht aufgenommen werden kann. Die zur Ermittlung der Abweichungen von der Sollposition zu erbringende Rechenleistung ist so aufwendig, daß sie in praktikablen Meßzeiten nicht ausgeführt werden kann. Führungsfehler bei Positionsänderungen des Meßtisches werden nicht berücksichtigt.at the known method are assigned to a reference object Measured data in relation to the reference mark on the measuring table saved. With a required measuring accuracy and resolution in the nm range, the amount of data to be stored becomes so large that that they are from currently available storage media can not be recorded. The to determine the deviations from the target position to be performed computing power is so expensive that they are not carried out in practical measuring times can be. Guiding error in position changes of Measuring tables are not taken into account.

Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, eine Meßvorrichtung anzugeben, die unabhängig von sämtlichen Achsspielen, sowie thermischen und mechanischen Instabilitäten einer Portalmessung ist und einen permanenten Vergleich mit vorgegebenen Form- und Strukturwerten eines Referenz-Objekts ermöglicht.Of the Invention therefore an object of the invention, a measuring device which are independent of all axle play, as well as thermal and mechanical instabilities of a Portal measurement is and a permanent comparison with predetermined form and structural values of a reference object.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche.These Task is in accordance with the invention in a device of the type mentioned the characterizing features of claim 1 solved. advantageous Further developments emerge from the features of the subclaims.

Auf einem Meßtisch werden ein Referenz-Objekt und ein Prüflings-Objekt in gleicher Lageausrichtung zueinander positioniert. Da das Referenz-Objekt körperlich vorhanden ist, brauchen seine lokalen Form- und Strukturparameter nicht gespeichert zu werden. Das Referenz-Objekt und das Prüflings-Objekt werden parallel zueinander abgerastert. Die beiden dazu notwendigen Meßköpfe werden starr miteinander verbunden.On A measuring table becomes a reference object and a test object positioned in the same position alignment with each other. Because the reference object physically present, its local shape needs and structure parameters are not saved. The reference object and the DUT object are scanned in parallel. The Both necessary measuring heads become rigid connected with each other.

Die beiden Sensorköpfe des Referenz- und Prüflings-Sensors fahren dann z. B. durch eine Schwenk- oder Drehbewegung der sie tragenden Brücke simultan die zu messende und die bekannte Oberfläche ab. Die Winkelkoordinaten der Schwenk- oder Drehbewegung können gemessen werden.The Both sensor heads of the reference and DUT sensor then drive z. B. by a pivoting or rotating movement of them carrying bridge simultaneously the surface to be measured and the known surface from. The angular coordinates of the pivoting or rotating movement can be measured.

Durch Lagerspiele der vom Sensorhalter bewegten Brücke variiert der Abstand der Sensorköpfe zu den beiden Oberflächen genau gleich. Da die Oberfläche des Referenz-Objektes an sich bekannt ist (als mathematische Funktion und/oder als gemessene und kalibrierte 3D-Form) kann ein vom erwarteten Formverlauf (z. B. gleichbleibend oder sich stetig ändernd) abweichender, variierender Abstand beim Referenz-Sensor-Abstand bis auf die Abstandsauflösung des Sensors genau bestimmt werden. Auf diese Weise steht an jedem Meßort ein genauer Referenzwert für die Prüflings-Messung zur Verfügung.By Bearing clearance of the moving of the sensor holder bridge varies the distance of the sensor heads to the two surfaces exactly the same. As the surface of the reference object to is known (as a mathematical function and / or as measured and calibrated 3D shape), one of the expected shape curve (z. B. constant or constantly changing) divergent, varying distance at the reference sensor distance except for the distance resolution of the sensor can be determined exactly. This is what everyone stands for Place of measurement an exact reference value for the test piece measurement to disposal.

Anstelle von einem einzelnen Meßstrahl vom Referenz-Sensor zur Referenz-Oberfläche können in einem Sensorkopf mehrere Meßstrahlen parallel eingesetzt werden. Dadurch wird es möglich, neben dem Abstand auch Verkippungen und Gradienten des Referenz-Sensors zur Referenz-Oberfläche zu bestimmen.Instead of from a single measuring beam from the reference sensor to the reference surface can in a sensor head several measuring beams be used in parallel. This makes it possible, in addition to the Distance also tilts and gradients of the reference sensor to To determine reference surface.

Ferner kann über mehrere Meßstrahlen eines Prüflings-Sensors ein definiertes Gebiet der Prüflings-Oberfläche vermessen werden. Wird der Prüflings-Sensor nun partiell verschoben, so daß redundante Meßdaten innerhalb der angetasteten Prüflings-Oberfläche entstehen, dann kann die Redundanz vorteilhaft zum Feststellen von Meßwertschwankungen aufgrund von Lagerfehlern verwendet werden. Dieser Vorteil zeigt sich in der Erfassung mechanischer Spiele oder anderer Störungen, die mit an sich bekannten mathematischen Verfahren so kompensierbar sind, daß die Prüflings-Oberfläche durch Selbstreferenzierung korrekt erfaßbar wird.Furthermore, a defined area of the specimen surface can be measured over a plurality of measuring beams of a specimen sensor. If the DUT sensor is now partially displaced, resulting in redundant measurement data within the gated DUT surface, then the redundancy can be advantageously used to detect measurement variations due to bearing failures. This advantage is evident in the capture mechanical games or other disorders that can be compensated with known mathematical methods so that the specimen surface is correctly detected by self-referencing.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn sowohl die Referenz- als auch die Prüflings-Oberfläche jeweils gleichzeitig mit mehreren Meßstrahlen abgetastet werden. Das führt bei überlappenden Meßstellen zu einer für eine optimale Ausgleichsrechnung notwendigen Redundanz. Auf diese Weise sind Ungenauigkeiten in der Achslage des Sensorhalters für die von den Sensorköpfen relativ zur Referenz- und Prüflings-Oberfläche ausgeführte Schwenk-, Dreh- oder Verschiebebewegung kompensierbar.Especially It is advantageous if both the reference and the DUT surface be scanned simultaneously with several measuring beams. This leads to overlapping measuring points to one necessary for an optimal compensation calculation Redundancy. In this way, inaccuracies in the Achslage of the sensor holder for those of the sensor heads relative to the reference and UUT surface executed pivoting, rotating or sliding movement compensated.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung schematisch dargestellt und werden anhand der Figuren beschrieben. Dabei zeigenIn the drawing are embodiments of the invention Measuring device shown schematically and are based on the figures described. Show

1 das Prinzip der Vergleichsmessung, 1 the principle of comparative measurement,

2 einen Prüflingssensor mit mehreren Meßstrahlen bei partieller Verschiebung, 2 a Prüflingssensor with several measuring beams at partial displacement,

3 eine Meßvorrichtung mit einem Mehrstrahl-Referenz- und Prüflingssensor und 3 a measuring device with a multi-beam reference and Prüflingssensor and

4 Bahnkurven einer Oberflächenabtastung mit Überschneidungspunkten. 4 Trajectories of a surface scan with overlap points.

1 zeigt eine Tischfläche, auf der zueinander in der Lage ausgerichtet eine Prüflings- und Referenz-Oberfläche dargestellt sind. Oberhalb der Prüflings- und Referenz-Oberfläche sind die Köpfe eines Prüflings- und eines Referenz-Sensors dargestellt, die beide über eine starre Brücke miteinander verbunden sind. Der Abstand der Sensorköpfe ist so gewählt, daß vergleichbare Oberflächenbereiche des Prüflings- und Referenz-Objekts angetastet werden. Der Prüflings-Sensor ist mit einem einzigen Meßstrahl, der Referenz-Sensor mit mehreren Meßstrahlen ausgestattet, die senkrecht auf die Prüflings- und Referenz-Oberfläche ausgerichtet sind. Die Meßstrahlen können von einem Laser erzeugt werden. Für die Abstandsbestimmung werden an sich bekannte Anordnungen innerhalb der Sensorköpfe eingesetzt. Den Sensorköpfen sind nicht weiter dargestellt Rechen- und Speichereinheiten zur Ermittlung und zum Vergleich von Abstandsmeßwerten zugeordnet. 1 shows a table surface on which aligned in a position a Prüflings- and reference surface are shown. Above the DUT and reference surface, the heads of a DUT and a reference sensor are shown, both connected by a rigid bridge. The distance of the sensor heads is chosen so that comparable surface areas of the DUT and reference object are touched. The device under test is equipped with a single measuring beam, the reference sensor with several measuring beams, which are aligned perpendicular to the DUT and reference surface. The measuring beams can be generated by a laser. For determining the distance, known arrangements within the sensor heads are used. The sensor heads are not further shown arithmetic and memory units assigned to the determination and comparison of Abstandmeßwerten.

Über die starre Brücke sind die Sensorköpfe an einem nicht weiter dargestellten Sensorhalter befestigt, der z. B. in den drei angegebenen kartesischen Koordinatenrichtungen bewegbar ist. Die Brücke ist parallel zur Tischfläche ausgerichtet. Sie kann insbesondere auch um eine in der Tischfläche liegende Achse geschwenkt oder um eine senkrecht zur Tischfläche stehende Achse gedreht werden.about the rigid bridge is the sensor heads on one not shown sensor holder attached, the z. In the three specified Cartesian coordinate directions movable is. The bridge is aligned parallel to the table surface. It can also be a lying in the table surface in particular Axis pivoted or one perpendicular to the table surface be rotated standing axis.

2 zeigt den Kopf des Prüflings-Sensors in zwei Stellungen oberhalb der Prüflings-Oberfläche nach überlappender partieller Verschiebung des Meßbereichs. Überlappende Meßbereiche der Prüflings-Oberfläche werden nacheinander von unterschiedlichen Meßstrahlen erfaßt. Soweit dabei unterschiedliche Meßergebnisse für dieselbe Meßstelle entstehen, können die Abweichungen für eine Fehlerausgleichsrechnung verwendet werden. 2 shows the head of the DUT sensor in two positions above the specimen surface after overlapping partial shift of the measuring range. Overlapping measuring ranges of the specimen surface are detected in succession by different measuring beams. Insofar as different measurement results occur for the same measuring point, the deviations can be used for an error compensation calculation.

3 zeigt eine Meßvorrichtung, bei der beide Sensorköpfe mit mehreren Meßstrahlen ausgestattet sind. Bei partiell überlappender Verschiebung der Sensorköpfe um den Abstand der Meßstrahlen zueinander können sowohl zur Referenz-Oberfläche als auch zur Prüflings-Oberfläche selbstreferenzierende Fehlerausgleichsrechnungen durchgeführt werden. 3 shows a measuring device in which both sensor heads are equipped with a plurality of measuring beams. In the case of a partially overlapping displacement of the sensor heads by the distance between the measuring beams, self-referencing error compensation calculations can be performed both for the reference surface and for the test object surface.

Eine zusätzliche Verbesserung der Meßresultate kann über die Steuerung und Auswertung der Bahnkurven der Sensorköpfe über der Prüflings- und Referenz-Oberfläche erreicht werden. Anstelle von linearen oder kreisförmigen Abtastkurven können z. B. Lissjous-förmige Bahnen vorgesehen werden, die möglichst viele Überschneidungen aufweisen, wie in 4 dargestellt ist. Mit der dabei bestehenden a priori-Information der Redundanz bei den Schnittstellen und entsprechenden Ausgleichsrechnungen können Achslagerfehler des Sensorhalters weiter reduziert werden.An additional improvement of the measurement results can be achieved via the control and evaluation of the trajectories of the sensor heads on the Prüflings- and reference surface. Instead of linear or circular scanning curves z. B. Lissjous-shaped tracks are provided which have as many overlaps as possible 4 is shown. With the existing a priori information of the redundancy at the interfaces and corresponding compensation calculations axle bearing errors of the sensor holder can be further reduced.

Für Freiformvermessungen kann es vorteilhaft sein, das Prüflings- und Referenzobjekt über einen x/y-Meßtisch zu verschieben. Luftgelagerte Verschiebetische sind reproduzierbar mit etwa 20 nm Auflösung über Stellwege von 100–200 mm ansteuerbar. Übrig bleibt der Höhenschal, der über die erfindungsgemäße Referenzmessung bestimmt werden kann.For Free-form surveying may be advantageous for the specimen and reference object via an x / y measuring table move. Air bearing sliding tables are reproducible with about 20 nm resolution over travel ranges of 100-200 mm controllable. What remains is the height scarf that over determines the reference measurement according to the invention can be.

Bei wenig reproduzierbaren oder ungenauen Antrieben des Sensorhalters oder der Drehlager mit Schrittmotoren kann es vorteilhaft sein, das Referenz-Objekt z. B. mit einem Koordinatennetz zu strukturieren, um eine genaue Zuordnung von Meßort und Meßfleck zu bekommen. Hochgenaue Koordinatennetze lassen sich z. B. mittels der Nanoimprint-Technologie markieren.at little reproducible or inaccurate drives of the sensor holder or the rotary bearing with stepper motors, it may be advantageous the reference object z. To structure with a coordinate network, for an exact assignment of measuring location and measuring spot to get. High-precision coordinate networks can be z. B. by means mark the nanoimprint technology.

Eine wichtige Anwendung für die Meßvorrichtung besteht in der Vermessung von Asphären. Als Referenz-Objekt wird dazu zweckmäßigerweise ein Zylinder oder eine Sphäre gewählt. Kugeln können interferometrisch hochpräzise vermessen werden, wobei das Kugelvolumen bis auf ΔV/V = 10–11 genau bestimmt werden kann, d. h. der Durchmesser auf Δd/d = 10–8, was für die angestrebten Meßanforderungen genügt. Bei Objektdurchmessern von 10–50 mm kann eine Meßgenauigkeit von 5–10 nm erreicht werden.An important application for the measuring device is the measurement of aspheres. As a reference object, a cylinder or a sphere is expediently selected for this purpose. Balls can be measured interferometrically with high precision, wherein the spherical volume can be accurately determined up to ΔV / V = 10 -11 , ie the diameter to Δd / d = 10 -8 , which is the desired Meßanfor is enough. For object diameters of 10-50 mm, a measurement accuracy of 5-10 nm can be achieved.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • - DE 20219383 U1 [0004] - DE 20219383 U1 [0004]

Claims (11)

Vorrichtung zur referenzbezogenen Messung von Form und Struktur einer Prüflings-Oberfläche mit mindestens einem Abstandssensor, gekennzeichnet durch a) eine Tischfläche zur lagedefinierten Aufnahme eines Prüflings- und eines Referenz-Objekts, b) einen in mindestens einer Raumachse bewegbaren Sensorhalter und c) einen aus mindestens zwei über eine starre Brücke miteinander verbundenen Sensorköpfen bestehenden Abstandssensor, der an dem Sensorhalter befestigt ist.Device for reference-related measurement of Shape and structure of a specimen surface with at least a distance sensor, marked by a) a table surface for the defined recording of a test piece and a Reference object, b) a movable in at least one spatial axis Sensor holder and c) one of at least two a rigid bridge interconnected sensor heads existing distance sensor which is attached to the sensor holder. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brücke parallel zur Tischfläche ausgerichtet ist.Device according to claim 1, characterized in that the Bridge is aligned parallel to the table surface. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßrichtung der Sensorköpfe senkrecht zur Prüflings- und Referenz-Oberfläche ausgerichtet ist.Device according to claim 1, characterized in that the Measuring direction of the sensor heads perpendicular to the DUT and reference surface is aligned. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tischfläche und/oder der Abstandssensor parallel zueinander bewegbar gelagert sind.Device according to claim 1, characterized in that the Table surface and / or the distance sensor parallel to each other are movably mounted. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensorhalter um eine in der Tischfläche liegende Achse schwenkbar gelagert ist. Device according to claim 1, characterized in that the Sensor holder around an axis lying in the table surface is pivotally mounted. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensorhalter um eine senkrecht zur Tischfläche stehende Achse drehbar gelagert ist.Device according to claim 1, characterized in that the Sensor holder around a perpendicular to the table surface Axis is rotatably mounted. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensorhalter in drei Koordinatenachsen verschiebbar gelagert ist.Device according to claim 1, characterized in that the Sensor holder is mounted displaceably in three coordinate axes. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorköpfe an der Brücke in einem Abstand zueinander angeordnet sind, der dem Abstand gleicher Oberflächenbereiche auf dem Prüflings- und Referenz-Objekt entspricht.Device according to claim 1, characterized in that the Sensor heads on the bridge at a distance from each other are arranged, the distance of equal surface areas on the DUT and reference object. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der einem Prüflings- und/oder Referenz-Objekt zugeordnete Sensorkopf mehrere zueinander ausgerichtete Abstandsmeßeinrichtungen enthält.Apparatus according to claim 8, characterized in that the a sensor head assigned to a device under test and / or reference object contains a plurality of aligned distance measuring. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß den Sensorköpfen eine Rechen- und Speichereinheit zur Ermittlung und zum Vergleich von Abstandsmeßwerten zugeordnet ist.Device according to claim 1, characterized in that the Sensor heads a computing and storage unit for detection and assigned for comparison of distance measurements. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in die Sensorköpfe Laserstrahl-Abstandssensoren eingesetzt sind.Apparatus according to claim 1, characterized in that in the sensor heads used laser beam distance sensors are.
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