DD234070A1

DD234070A1 - Interferometrische mehrkoordinatenmesseinrichtung

Info

Publication number: DD234070A1
Application number: DD27263785A
Authority: DD
Inventors: Hans-Joachim Buechner; Gerd Jaeger
Original assignee: Ilmenau Tech Hochschule
Priority date: 1985-01-18
Filing date: 1985-01-18
Publication date: 1986-03-19
Also published as: DE3600673A1; GB8600989D0; GB2170005B; FR2576407A1; GB2170005A

Abstract

Die Erfindung kann als Messsystem in Zwei- und Dreikoordinatenmesseinrichtungen eingesetzt werden, sie kann aber auch zur Kontrolle von nach anderen Messprinzipien arbeitenden Zwei- und Dreikoordinatenmesseinrichtungen oder zur Messsteuerung bzw. zur Kalibrierung des Bewegungsablaufs von Robotern eingesetzt werden. Es wird eine interferometrische Mehrkoordinatenmesseinrichtung angegeben, die trotz wesentlich entfeinerten konstruktiv-technologischen Aufwandes des oder der Fuehrungssysteme des Arbeitsmittels ein Hoechstmass an Messgenauigkeit garantiert. Weiterhin wird durch die vorgeschlagene Loesung die interferometrisch-inkrementale Messung in translatorisch bewegten, aber nicht in getrennten karthesischen Koordinaten gefuehrten Antriebssystemen ueberhaupt erst moeglich gemacht. Es wird fuer jede Koordinatenrichtung ein an sich bekanntes Interferometer zur inkrementalen Abtastung veraenderlicher Interferenzstrukturen mit Blende zwischen Interferometerteiler und Strahlteiler und in das Interferometer integrierten CCD-Zeilen so angeordnet, dass zwischen den Messstrahlen der Interferometer ein gegenseitiger Winkel von 90 eingestellt ist und den Messstrahlen im Falle einer Zweikoordinatenmesseinrichtung ebene Langspiegel bzw. im Falle einer Dreikoordinatenmesseinrichtung ebene Flaechenspiegel zugeordnet sind.

Description

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine interferometrische Mehrkoordinatenmeßeinrichtung zu schaffen, bei der Meßspiegel besonderer Konfiguration verwendet werden und dennoch eine Winkelbeweglichkeit dieser Meßspiegel erlaubt ist, ohne die inkrementale Meßwerterfassung außer Takt zu bringen. Die erlaubte Winkelbeweglichkeit der Meßspiegel soll in einer solchen Größenordnung sein, daß sie in Fertigungslinien mittlerer Qualität bequem erreicht wird und damit auf die Anwendung kostenintensiver Präzisionstechnologien verzichtet werden kann. Weiterhin stellt sich die Erfindung die Aufgabe, den vorhandenen Kippfehler des Führungssystems interferometrisch zu erfassen, damit er rechentechnisch korrigiert werden kann. Die technischen Ursachen der Mängel der bereits bekannten Lösungen sind in der Art und Weise der Abtastung des verwendeten Inkrementalgitters begründet. Bekanntlich gibt es bei interferometrischen Inkrementalverfahren zwei Möglichkeiten zur Gewinnung des inkrementalen Meßsignals. Die erste Möglichkeit besteht darin, daß im Interferometer eine endliche Gitterkonstante erzeugt wird und die Abtastung des Gitters an zwei örtlich versetzt angeordneten Punkten erfolgt. Im zweiten Falle wird im Interferometer eine sehr große Gitterkonstante eingestellt, so daß die Anordnung der Abtastpunkte weitgehend unkritisch ist, und die 90°-Phasenverschiebung der inkrementalen Meßsignale wird mit polarisationsoptischen Mitteln erzeugt. Gemeinsam ist beiden Verfahren, daß das jeweils eingestellte Gitter während der Messung unverändert erhalten bleiben muß. Deshalb werden in allen für technische Zwecke eingesetzten Interferometern im Meßarm der Interferometer kippinvariante Tripelprismen, Tripelspiegel oder sog. Katzenaugen-Reflektoren verwendet, um die Einhaltung der eingestellten Gitterkonstante zu gewährleisten. Interferometer mit Tripelreflektoren im Meßarm haben aber den Nachteil, daß eine Verschiebung des Tripelreflektors nur in Meßrichtung, nicht aber senkrecht dazu gestattet ist, weil Versetzungen des Tripelreflektors senkrecht zur Meßrichtung Parallelversetzungen des reflektierten Meßstrahls gegenüber dem einfallenden Meßstrahl hervorrufen und dadurch im Extremfalle die Interferenz unterbrochen wird. Angewendet auf die Mehrkoordinatenmeßtechnik bedeutet das, daß an die Verwendungen Tripelprismen in Interferometern stets auch die Bedingung geknüpft ist, die resultierende translatorische Bewegung des Arbeitsmittels aus zwei getrennten Translationsbewegungen in karthesischen Koordinaten zu erzeugen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß bei einer Zweikoordinatenmeßeinrichtung für jede Koordinatenrichtung ein an sich bekanntes Interferometer zur Abtastung veränderlicher Interferenzstrukturen angeordnet ist und zwischen den Meßstrahlen dieser Interferometer ein gegenseitiger Winkel von 90° eingestellt ist und den Meßstrahlen dieser Interferometer ebene Langspiegel zugeordnet sind.

Ferner ist bei einer Dreikoordinatenmeßeinrichtung ebenfalls für jede Koordinatenrichtung ein Interferometer zur Abtastung veränderlicher Interferenzstrukturen angeordnet und den Meßstrahlen dieser Interferometer sind ebene Flächenspiegel zugeordnet.

Im Interferometer zur Abtastung veränderlicher Interferenzstrukturen wird durch Einführung einer Blende zwischen Interferometerteiler und Strahlteiler die Interferenzstruktur punktförmig abgetastet, wodurch Änderungen der Gitterkonstante der Interferenzstruktur während des Meßvorganges keine Störungen bei der Gewinnung der inkrementalen Meßsignale verursachen. Dadurch ist es möglich, im Meßarm der Interferometer ebene Spiegel als Meßspiegel zu verwenden, ohne an die Bedingung gebunden zu sein, diese während der Meßbewegung streng parallel führen zu müssen. Ein ebener Spiegel kann - im Gegensatz zu Tripelreflektoren - ohne Behinderung des Meßvorganges auch senkrecht zur Meßrichtung in beliebigen Grenzen verschoben werden.

Bekanntlich entsteht bei interferometrischen Messungen infolge Kippung des ebenen Meßspiegels ein größerer Meßfehler als bei nicht verkipptem Meßspiegel. Um diesen Fehler auszuschalten, sind in beide wegmessende Interferometer jeweils zwei CCD-Zeilen integriert, die der Erfassung der Winkelposition der Meßspiegel und der daraus abgeleiteten rechnerischen Korrektur der Position des Arbeitsmittels dienen. Gleichzeitig aber stellen die CCD-Zeilen ein raumfestes Winkel-Bezugssystem für die Meßspiegel dar, mit dem das Arbeitsmittel, z. B. nach einem technischen Defekt, wieder in die Null-Winkelposition zurückgeführt werden kann.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll anhand mehrerer Ausführungsbeispiele erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen: Fig. 1: Ausführung einer Zweikoordinatenmeßeinrichtung Fig. 2: Ausführung einer Dreikoordinatenmeßeinrichtung

In Fig. 1 sind auf dem Winkel 5, der einen Teil des in (x,y)-Richtung bewegten Arbeitsmittels darstellt, die im Winkel von 90° zueinander angeordneten ebenen Langspiegel M_x und M_y befestigt. Auf dem gestellfesten Block 6 befindet sich das Interferometer I_x für die x-Koordinate und das Interferometer l_y für die y-Koordinate. Beide Interferometer werden von dem vornehmlich von einem Laser kommenden monochromatischen Strahlbündel 4 beleuchtet, das in einem Teilerwürfel 8 in die Teilbündel 9 und 10 geteilt wird, die in die Interferometer I_x und l_y eintreten. Die Interferometer I_x und l_y sind identisch aufgebaut. Das Teilbündel 10 wird im Interferometerteiler 1 an der Teilerschicht 7 in den Meßstrahl l_My und in den Referenzstrahl l_Ry aufgeteilt. Der Referenzstrahl l_Ry fällt auf den als ebenen Spiegel ausgebildeten Referenzspiegel 12 und der Meßstrahl l_My trifft auf den als ebenen Langspiegel ausgebildeten Meßspiegel M_y. Nach Reflexion beider Strahlen kommt es an der Teilerschicht 7 zu ihrer Wiedervereinigung, wobei das streifenförmige Interferenzgitter 20 entsteht. Bei Kippbewegungen des Arbeitsmittels 5, die bei dessen Bewegung immer entstehen, ändert sich auch die Winkellage des ebenen Langspiegels M_y in bezug zum ankommenden Meßstrahl l_My, so daß der am Meßspiegel M_y reflektierte Meßstrahl — hier nicht dargestellt — ebenfalls winkelversetzt gegenüber l_My in das Interferometer l_y zurückkehrt. Zwischen dem ersten Strahlspalter 30 und dem Strahlteiler 2 befindet sich eine Blende 3, durch die das Interferenzgitter 20 punktförmig abgetastet wird. Das im Interferometer l_y durch die Blende 3 hindurchtretende Bündel 13 wird im Strahlteiler 2 in die Teilbündel 14 und 15 aufgeteilt, die hier nicht dargestellten fotoelektrischen Empfängern zugeleitet werden. Infolge der punktförmigen Abtastung des Interferenzgitters durch die Blende 3 wird ein Invarianz der Meßsignalgewinnung in bezug auf Änderungen des Interferenzgitters 20 jeglicher Art erzielt. Infolgedessen sind die optischen Signale der Teilbündel 14 und 15 unabhängig von jeglichen Kippbewegungen des Arbeitsmittels 5 in jedem Moment exakt phasengleich. Die für die

Vor-Rückwartszählung erforderliche ^-Phasenverschiebung wird aus den optischen Signalen 14 und 15 mit hier nicht dargestellten polarisationsoptischen Mitteln erzeugt. Auch diese optischen Signale sind unabhängig von Kippbewegungen des Arbeitsmittels 5 hinsichtlich ihrer 90°-Phasenlage in jedem Moment exakt phasenkonstant. Der im Interferometer I_x in den ersten Strahlspalter 30 eintretende und mit der Interferenzstruktur modulierte Strahl 20 wird im ersten Strahlspalter 30 in Strahlen 32 und 33 gespalten und Strahl 33 tritt in einen zweiten Strahlspalter 34 ein, an dessen Teilerschicht er in Strahlen 35 und 36 aufgespalten wird. Strahl 36 fällt auf die CCD-Zeilen 38 und Strahl 35 auf CCD-Zeile 40. Die Richtungen der zellenförmigen Anordnungen der fotoelektrischen Abtastelemente auf den CCD-Zeilen 38 und 40 stehen senkrecht aufeinander. Dadurch kann das Arbeitsmittel 5 um Achsen in beliebiger räumlicher Lage kippen, es wird durch Abfrage beider CCD-Zeilen 38 und 40 stets der resultierende Kippwinkel erfaßt. In einem weiteren Ausführungsbeispiel zeigt Fig. 3 eine Dreikoordinatenmeßeinrichtung gemäß der Erfindung. In diesem Falle werden als Meßspiegel drei ebene, jeweils unter einem Winkel von 90° zueinander angeordnete Flächenspiegel M_x, M_Y, M₂ verwendet. Damit spannen diese Flächenspiegel M_x, M_yr M_z ein räumliches (x,y,z)-Koordinatensystem auf. Jedem Flächenspiegel M_x, M_y, M_z ist ein Interferometer I_x, l_y, l_z zugeordnet. Die Interferometer I_x, l_y, l_z befinden sich gemeinsam auf dem gestellfesten Block 6. Die Bestrahlung der Interferometer I_x, l_y, l_z erfolgt über die monochromatischen Laserstrahlbündel 4_X, 4_y, 4_Z, die im Interferometerteiler 1 an der ersten Teilerschicht 7 in Referenzstrahlen und Meßstrahlen l_Mx, l_My, l_Mz geteilt und den ebenen Referenzflächen und Meßflächen M_x, M_y, M₂ zugeleitet werden. Die Meßstrahlen J_Mx, J_My und J_Mz treffen in den Punkten P_x, P_y und P_z auf die ebenen Meßflächen M_x, M_y, M_z und werden von dort in die Interferometer I_x, l_y, l_z zurück reflektiert. Dabei tritt der Meßstrahl J_Mz durch eine Aussparung im Block 6 hindurch und gelangt danach auf die Meßfiäche M_z. Die an der Teilerschicht 7 jedes Interferometers wiedervereinigten Strahlen werden durch die Blende 3 punktförmig abgetastet. Das durch die Blende 3 hindurchtretende Strahlbündel 13 wird im Strahlteiler 2 in Teilbündel 14 und 15 geteilt, die nach polarisationsoptischer Behandlung zur Erzeugung der 90°-Phasenverschiebung fotoelektrischen Empfängern zugeleitet werden.

Selbstverständlich kann auch bei der Dreikoordinatenmeßeinrichtung die Erfassung der Kippwinkel der Meßspiegel wie in Fig. 1 über die Zwischenschaltung eines ersten Strahlspaltes 30 zwischen den Interferometerteiler 1 und den Strahlteiler 2 und einen dem ersten Strahlspalter 30 nachgeschalteten zweiten Strahlspalter 34 sowie der Anordnung zweier gekreuzter CCD-Zeilen 38 und 40 in den beiden Ausgängen 35 und 36 des zweiten Strahlspaltes 34 vorgenommen werden.

Claims

Erfindungsanspruch:

1. Interferometrische Mehrkoordinatenmeßeinrichtung, bestehend aus einem Arbeitsmittel, dessen Bewegung in der Ebene oder im Räume hauptsächlich translatorisch erfolgt und Laser-Wegmeßsystemen, bestehend aus monochromatischer Laser-Strahlungsquelle, Interferometer zur inkrementalen Abtastung veränderlicher Interferenzstrukturen mit Blende zwischen Interferometerteiler und Strahlteiler und in das Interferometer integrierten CCD-Zeilen, strahlteilenden und strahlumlenkenden optischen Bauelementen, gekennzeichnet dadurch, daß bei einer Zweikoordinatenmeßeinrichtung für jede Koordinatenrichtung ein an sich bekanntes Interferometer (J_x), (J_v) angeordnet ist und zwischen den Meßstrahlen (J_Mx), (Jmy) ein gegenseitiger Winkel von jeweils 90° eingestellt ist und den Meßstrahlen (Jmx), (Jiviy) ebene Langspiegel (M_x), (M_y) zugeordnet sind.
2. Interferometrische Mehrkoordinatenmeßeinrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß bei einer Dreikoordinatenmeßeinrichtung für jede Koordinatenrichtung ein Interferometer (J_x), (J_y), (J_z) angeordnet ist und den Meßstrahlen (J_Mx), (J_My), (J_Mz) ebene Flächenspiegel (M_x), (M_y), (M_z) zugeordnet sind.

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Mehrkoordinatenmeßeinrichtungen werden in vielen Fertigungsbereichen der Volkswirtschaft für Meß- und Steuerungsprozesse eingesetzt. Als Zweikoordinatenmeßeinrichtungen werden sie seit jeher für verstellbare Mikroskoptische und (x.y)-Koordinatenmeßgeräte verwendet. Ein neues Einsatzgebiet kam durch die Entwicklung der Mikroelektronik hinzu, indem für den Repeat-Prozeß Zweikoordinatenpositioniereinrichtungen erforderlich waren, die über hochgenaue Zweikoordinatenmeßeinrichtungen verfugen mußten. Sinngemäß können diese Einrichtungen natürlich auch für die zweidimensionale Vermessung der Strukturen mikroelektronischer Schaltkreise verwendet werden. Auf dem Gebiet der Dreikoordinatenmeßtechnik ist in den vergangenen Jahren durch die Entwicklung der inkrementalen 3D-Koordinatenmeßmaschinen eine neue Generation von Meßgeräten entstanden, mit denen komplexe Meßaufgaben an Werkstücken gelöst werden können. Hier ergibt sich die Notwendigkeit, das 3D-Meßsystem an der fertigen Meßmaschine zu kalibrieren. Ähnliche 3D-Meßaufgaben ergeben sich aus dem Einsatz der Robotertechnik in den Gebieten der Mikroelektronik und des feinmechanisch-optischen Präzisionsgerätebaus. Hier sind Positionierungen der Roboterhand im μηΊ-Bereich erforderlich, die in einer offenen Steuerkette aufgrund des in den Gelenken der Roboter stets vorhandenen Spiels nicht oder nur unzureichend durchgeführt werden können. Zur Lösung derartiger Meßaufgaben ist der Einsatz eines interferometrischen 3D-Meßsystems an der Roboterhand oder zur Kalibrierung des Programmablaufs unerläßlich.

Weiterhin sind neuere Entwicklungen zu einem Oberflächenmotor bekannt, bei dem ein Objekttisch in einer Ebene durch Magnetfelder verschoben wird. Im Unterschied zu anderen (x.yJ-Verschiebeeinrichtungen verfügt dieser Oberflächenmotor nicht über zwei getrennte und sich in übereinanderliegenden Ebenen befindliche karthesische (x,y)-Führungen, sondern der Objekttisch gleitet vorwiegend translatorisch auf einer Ebene und kann in dieser Ebene willkürlich verschoben werden. Wenn die Bewegung dieses Objekttisches interferometrisch meßbar gemacht wird, kann er als schnelle und hochpräzise Positioniereinrichtung verwendet werden.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es sind Interferometer für zweidimensionale Längenmessungen bekannt, z. B. DE-PS 21 64 898, DE-OS 1 673 843 und Jen. Rundschau, 22 (1977), H. 4, S. 159—166. Diesen interferometrischen Zweikoordinatenmeßeinrichtungen ist gemeinsam, daß die Verschiebung des Objekttisches in der Ebene abgeleitet wird aus zwei translatorischen und senkrecht zueinander erfolgenden Verschiebungen. Diese Verschiebungen werden durch zwei getrennte und sich in übereinanderliegenden Ebenen befindlichen lineare (x,y-)-Führungssysteme erzeugt. Für jede Verschieberichtung ist jeweils ein Interferometer zur Wegmessung vorhanden und so angeordnet, daß der Meßstrahl des Interferometers in die Führungsrichtung fällt und auf ein kippinvariantes reflektierendes Element, i. a. einen Tripelreflektor, auftrifft und von dort in das Interferometer zurückgeworfen wird. Voraussetzung für eine präzise Messung bzw. Positionierung ist, daß die Meßstrahlen beider Interferometer exakt senkrecht aufeinander stehen. Die Einhaltung dieser Forderung ist aber im fertigen Betriebszustand eines solchen Zweikoordinatenmeßsystems schwer zu kontrollieren, da die Meßstrahlen für eine solche Prüfung nicht frei zugänglich sind. Ein weiterer Nachteil dieses Systems ergibt sich daraus, daß jede mechanische Führung mit einem Führungsspiel behaftet ist und dieses Führungsspiel Kippungen gegenüber der Führungsrichtung verursacht. Im vorliegenden Falle bedeutet das, daß Kippungen, die durch Bewegung des Oberschlittens verursacht werden, in bezug auf die Koordinatenrichtung des Unterschlittens zu Fehlern erster Ordnung führen.

In Jen. Rundschau, 22 (1977), H. 4, S. 168-174 wird über eine (x,y)-Positioniereinrichtung berichtet, bestehend aus zwei Antriebsschlitten, die jeweils in (x,y-)Koordinaten bewegt werden. Im Unterschied zu den vorgenannten Meßsystemen werden jedoch hier zur interferometrischen Wegmessung als reflektierende optische Elemente im Meßarm der Interferometer auf dem Arbeitstisch befestigte hochebene Winkelspiegelleisten verwendet. Um jedoch Kippungen der ebenen Meßspiegel zu vermeiden, die unweigerlich zu Fehlen: ':>< :-< der inkrementalen Abtastung der im Interferometer erzeugten Interferenzstruktur führen würden, müssen „Arbeitstisch und Antriebsschlitten einseitig in horizontaler und vertikaler Richtung durch Wälzlager höchster.Präzision geführt" werden.

Es wurde bereits ein Interferometer, insbesondere zur inkrementalen Abtastung veränderlicher Interferenzstrukturen, vorgeschlagen, bei dem sich zwischen dem Interferometerteiler und dem Strahlteiler eine Blende befindet und der Strahl durch die Blende im Strahlteiler in Teilstrahlen geteilt wird und in den Strahlwegen dieser Teilstrahlen je ein fotoelektrischer Empfänger angeordnet ist. Weiterhin befindet sich zwischen dem Interferometerteiler und dem Strahlteiler ein erster Strahlspalter und diesem nachgef jhaltet ein zweiter Strahlspalter und der in den zweiten Strahlspalter eintretende Strahl wird in Teilstrahlen gespalten und in den Strahlwegen dieser Teilstrahlen ist je eine zellenförmige Anordnung aus integrierten fotoelektrischen Abtastelementen angeordnet und die Richtungen beider Zeilen stehen senkrecht aufeinander.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, eine interferometrische Mehrkoordinatenmeßeinrichtung zu schaffen, die trotz wesentlich entfeinerten konstruktiv-technologischen Aufwandes der Führungssysteme für das Arbeitsmittel ein Höchstmaß an Meßgenauigkeit garantiert. Weiterhin wird durch die vorgeschlagene Lösung die interferometrisch-inkrementaie Messung in translatorisch bewegten, aber nicht in getrennten karthesischen Koordinaten geführten Antriebssystemen überhaupt erst möglich gemacht.