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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Autokollimationsfernrohr mit
einem zwischen einer Objektebene und einer Detektorebene verlaufenden,
zur Interferenz geeignetes Licht aufweisenden Strahlengang, das
eine Messmarke, die mehrere Messstrukturen aufweist und in der Objektebene
angeordnet ist, in die Detektorebene abbildet. Ferner betrifft die Erfindung
ein Verfahren zur Abbildung einer derartigen Messmarke.
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Autokollimationsfernrohre
finden unter anderem Anwendung bei der Messung der Geradheit und Parallelität von Führungsbahnen
und Prüfungen
der Ebenheit planarer Flächen,
Vermessung der Winkelverkippung eines Werkzeugschlittens bzw. der
Messung der Rechtwinkligkeit von Spindeln zur Lünettenachse. Ferner werden
sie bei der Vermessung einer Zentrierung, Ausrichtung oder Positionsunsicherheit eingesetzt.
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Bei
der Kalibrierung von Spiegelpolygonen, Strahlteilerwürfeln und
Prismen in Bezug auf einen Winkelmesstisch werden die zu prüfenden Flächen von
einem Autokollima tionsfernrohr optisch angetastet. In die Bestimmung
des Winkels geht die gesamte Fläche
des Prüflings
ein, welche beleuchtet wird.
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Wird
eine Apertur zur Messung verwendet, die kleiner als die zu prüfende Fläche ist,
so lässt
sich durch ein Zusammensetzen von Messungen, die aus einer lateralen
Verschiebung hervorgegangen sind, ein Profil der Oberfläche des
Prüflings
ermitteln. Dieses kann räumlich
besser aufgelöst
werden, wenn kleine Flächen/Messaperturen
zur Messung verwendet werden.
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Um
den Fehler eines derart bestimmten Oberflächenprofils zu reduzieren,
werden Sensorköpfe
eingesetzt, welche entlang einer Linie mehrere Aperturen aufweisen,
innerhalb derer die Flächenneigung
bestimmt wird. Ferner werden auch Sensorköpfe eingesetzt, welche mehrere
Messaperturen in zwei Dimensionen realisieren.
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Die
DE 197 46 535 A1 offenbart
eine Justiervorrichtung für
ein Interferometer mit einem Justierelement, welches in der Brennebene
eines vor einer Prüflingsoberfläche angeordneten
Kollimatorobjektivs angeordnet ist. Auf dem Justierelement ist eine zweidimensional
ausgedehnte Justiermarkierung angeordnet und/oder die auf dem Justierelement
angeordnete Justiermarkierung weist eine definierte optische Wirkung
auf. Das Interferometer weist eine Lichtquelle auf, die als kohärente Lichtquelle,
vorzugsweise als Laser ausgebildet ist.
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Der
Grundaufbau eines Autokollimationsfernrohrs besteht aus einem Kollimator
und einem Fernrohr und projiziert das Bild einer üblicherweise beleuchteten
Messmarke, beispielsweise ein Strichkreuz, in eine Detektorebene.
Die Messmarke ist in dem Kollimator angeordnet und die Detektorebene befindet
sich in dem Fernrohr. Bei einem auf ∞ eingestellten Fernrohr ist
die Detektorebene die Brennebene des Fernrohrobjektivs. Eine Richtungsdifferenz zwischen
der Kollimator- und Fernrohrachse bewirkt eine Verschiebung des
Bildes der Messmarke in der Detektorebene.
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Wird
der Strahlengang an einem Planspiegel reflektiert, so ist auf diese
Weise eine Verkippung des Planspiegels als Verschiebung der Messmarken-Abbildung
in der Detektorebene erkennbar. Wird die Messmarke auf einem Strichmaßstab abgebildet,
so kann die Bestimmung der Lage mittels eines Messokulars manuell
erfolgen. Diese Art der Lagebestimmung unterliegt allerdings subjektiven
Einflüssen. Deshalb
haben auf dem Markt befindliche Autokollimationsfernrohre, die nach
diesem Prinzip arbeiten, nur eine geringe Genauigkeit.
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Bei
der Messung sehr kleiner Winkel werden auch Vier-Quadranten-Photodioden
eingesetzt. Derartige Detektoren eignen sich insbesondere für Systeme,
in denen eine aktive Nachführung
des Winkels angestrebt wird. Demgegenüber ermöglichen es positionsempfindliche
Photodioden, einen deutlich größeren Winkelbereich
zu erfassen. Die Lage der Messmarke wird dabei durch die Lage des
Schwerpunktes der Intensität
repräsentiert.
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Um
eine noch höhere
Genauigkeit der Lagebestimmung der Messmarke zu ermöglichen
wird in der
DE 35 36 853 der
Einsatz von CCD-Zeilen und CCD-Matrizen offenbart. Es werden Messmarken eingesetzt,
die im Vergleich zu einem einfachen Fadenkreuz deutlich mehr Messstrukturen
aufweisen, um die Messgenauigkeit durch Mehrfachauswertung zu steigern.
Mittels der Bestimmung der Lage möglichst vieler Kanten der Messstrukturen
wird eine Genauigkeit von 0,01 arcsec erreicht. Bei der Bestimmung
der Lage der Kanten wird eine Sub-Pixel Interpolation eingesetzt.
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Es
besteht zunehmend die Notwendigkeit, Parameter, wie beispielsweise
die Orientierung optischer Flächen,
die mittels eines Autokollimationsfernrohrs bestimmt wird, auch
an deutlich kleineren Messobjekten zu prüfen. Dadurch wird allerdings
die numerische Apertur der verwendeten Messvorrichtung deutlich
reduziert. Dies betrifft beispielsweise die Vermessung optischer
Komponenten in immer kompakter aufgebauten Systemen. Kompakte Multi-Apertur-Autokollimationsfernrohre
sind in ihrem Messraster, d. h. der Anzahl an Messpunkten innerhalb
der Sensorfläche,
begrenzt. Dies bewirkt folglich für die Größe der einzelnen Apertur ebenfalls
eine Begrenzung.
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Auch
bei Messungen, bei denen die angetastete Prüffläche ihre Position entlang der
optischen Achse stark ändert,
beispielsweise mehr als die halbe Brennweite des Objektivs, oder
sich die Prüffläche in relativ
großer
Entfernung, insbesondere mehr als das 1,5-fache der Brennweite,
vor dem Objektiv des Autokollimationsfernrohrs befindet, werden
zunehmend Messgenauigkeiten verlangt, die eigentlich nur bei einem
optimalen Arbeitsabstand zum Objektiv des Autokollimationsfernrohrs
zu gewährleisten
sind. Ferner reduzieren Aberrationen, beispielsweise der Vignettierung,
die unter anderem durch nicht zu vermeidende Blenden hervorgerufen
werden, die Messgenauigkeit.
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Eine
höhere
Messgenauigkeit wird durch ein Autokollimationsfernrohr mit großer Brennweite
ermöglicht.
Große
Brennweiten können
jedoch – bei vertretbaren
Durchmessern – nur
bei kleiner numerischer Apertur realisiert werden, was zur Folge
hat, dass im Vergleich zu üblichen
Brennweiten deutlich breitere Schlitze auf der Messmarke angeordnet
werden müssen.
Dies schränkt,
insbesondere durch die Baugröße von CCD-Zeilen
bedingt, jedoch die Anzahl verwendbarer Schlitze und den Messbereich ein.
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Vor
diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
die optische Auflösung für eine Abbildung
einer Messmarke in einem Autokollimationsfernrohr zu steigern.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Autokollimationsfernrohr mit den Merkmalen
gemäß Anspruch
1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch
8 gelöst.
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Bei
einem gattungsgemäßen Autokollimationsfernrohr
ist erfindungsgemäß die Messmarke
derart ausgebildet, dass durch jeweils zwei benachbarte Messstrukturen
durchlaufende Lichtstrahlen des Strahlengangs in ihrer Phase verschoben
sind, so dass in der Detektorebene zwischen den Abbildungen der
benachbarten Messstrukturen zumindest eine destruktive Interferenz
erfolgt.
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Insbesondere
vorteilhaft ist die Verschiebung der Phasen der zwei benachbarten
Messstrukturen durchlaufender Lichtstrahlen um den Faktor π. Die Lichtstrahlen
aus bevorzugt monochromatischen und kohärenten Licht, die benachbarte
Messstrukturen durchlaufen, sind aufgrund der Geometrie des Strahlengangs
stets in ihrer Phase etwas verschoben, bzw. aufgrund der Wegdifferenz
in ihrer Phase etwas verschoben. Die erfindungsgemäße Phasenverschiebung
durch die Messmarke bewirkt eine zusätzliche Verschiebung der Phase
bzw. eine zusätzliche Wegdifferenz
um den Faktor der halben Wellenlänge λ/2. Diese
zusätzliche
Verschiebung bewirkt die destruktive Interferenz zwischen den Abbildungen
der benachbarten Messstrukturen.
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Bevorzugt
sind bei einem erfindungsgemäßen Autokollimationsfernrohr
die Messstrukturen nebeneinander angeordnete Längsschlitze. Die Form der Messstruktur
führt zusammen
mit der Phasenverschiebung dazu, dass eine alternierende Phasenfunktion
vorliegt. Bei voller Apertur liegt in der Detektorebene ein Bild
der Strichmarke vor, welches der Ausgangslage entspricht. Die einzelnen
Striche der Messmarke sind räumlich
deutlich voneinander getrennt, da das Integral der Überlappung
der Beugungsbilder der einzelnen Längsschlitze nahezu Null ist.
Die Funktionalität
des Autokollimationsfernrohrs bleibt bei voller numerischer Apertur
somit unverändert.
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Wird
die numerische Apertur jedoch reduziert, indem beispielsweise eine
kleine Messfläche angetastet
wird, so nimmt der Bereich der Überlappung
der Beugungsbilder der einzelnen Längsschlitze zu. Durch die vorliegende
Gegenphasigkeit der Beugungsbilder benachbarter Längsschlitze,
liegt aber eine destruktive Interferenz vor. Diese bewirkt, dass
zwischen den Bildern der benachbarten Längsschlitze die Intensität Null realisiert
wird. Folglich liegt auch bei einer reduzierten Apertur ein scharfes
Bild der Messmarke in der Detektorebene vor.
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Alternativ
sind bei einem erfindungsgemäßen Autokollimationsfernrohr
die Messstrukturen konzentrisch angeordnete Kreisringe. Bei einer
weiteren alternativen Lösung
ist vorgesehen, dass die einzelnen Messstrukturen der Messmarke
eine axiale und/oder radiale Symmetrie aufweisen. Dies ermöglicht die
Ausbildung einer Messmarke mit axial symmetrischen, konzentrischen
Kreisen oder mit einem axial symmetrischen Siemensstern beliebiger Teilung.
Messmarken, welche diese Symmetriebedingung erfüllen, bleiben beispielsweise
bei variierendem Durchmesser der Messapertur symmetrisch, d.h. dass
das Mittel der Lage aller Kanten unverändert bleibt, auch wenn sich
die Intensitätsverteilung auf
dem Detektor verändert.
Die Änderung
der PSF (point spread function) führt bei Messmarken, welche diese
Symmetriebedingung erfüllen,
nicht zu einer Änderung
des geometrischen Mittels über
die Lage der Kanten.
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In
vorteilhafter Weise sind bei einem erfindungsgemäßen Autokollimationsfernrohr
die einzelnen Messstrukturen der Messmarke derart ausgeführt, dass
die Kreuzkor relation der normierten Fourier-Transformierten ihres
Abbildes, welches in der Ebene des Detektors vorliegt, und der normierten Fourier-Transformierten
der Verteilung der Sensitivität
des Detektors ein Maximum aufweist, welches möglichst gering ist. Hierdurch
werden mögliche Moirè-Effekte
berücksichtigt,
die durch Raumfrequenzen der Struktur der Messmarke und durch Raumfrequenzen
des Detektors bedingt sind. Der Moirè-Effekt ist maximal, wenn
beispielsweise zwei periodische Funktionen überlagert werden, die gleiche
Frequenzen aufweisen. Um dies zu vermeiden, sollte bei den Frequenzen
größtmögliche Teilerfremdheit
vorliegen. Zwei gerasterte Strukturen sollten also möglichst
unterschiedliche Raster aufweisen, um bei ihrer Überlagerung Moirè-Effekte
zu minimieren.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Autokollimationsfernrohrs
weist die Messmarke Phasenstreifen zur Phasenverschiebung auf. Die
Phasenstreifen können
beispielsweise durch Aufdampfen hergestellt werden, wodurch es möglich ist,
vorhandene Messmarken zu modifizieren.
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Alternativ
ist bei einem erfindungsgemäßen Autokollimationsfernrohr
vorgesehen, dass die Messmarke geätzte Gräben zur Phasenverschiebung
aufweist. Das Ätzen
von Gräben
ermöglicht eine
genauere Einstellung des benötigten
Phasenhubes.
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Nachfolgend
wird die vorliegende Erfindung anhand der detaillierten Beschreibung
in Zusammenhang mit den beigefügten
Zeichnungen beispielhaft näher
erläutert.
Diese zeigen in:
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1 schematisch
einen Querschnitt durch einen ungefalteten Strahlengang eines Autokollimationsfernrohrs;
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2a–d jeweils
eine Intensitätsverteilung der
Abbildung einer Messmarke in der Detektorebene.
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In 1 ist
schematisch ein Querschnitt eines Strahlenganges 1 durch
ein erfindungsgemäßes Autokollimationsfernrohr
mit einer Lichtquelle 2 dargestellt. Das Licht der Lichtquelle 2 fällt auf
eine Messmarke 3, die in diesem dargestellten Beispiel drei
Längsschlitze 4 aufweist.
Die Längsschlitze 4 sind
nebeneinander und parallel zueinander angeordnet. Die Messmarke 3 ist
in einer ersten Brennebene einer Kollimatorlinse 5 angeordnet.
In der zweiten Brennebene auf der gegenüberliegenden Seite der Kollimatorlinse 5 befindet
sich die zu untersuchende Fläche 6,
die durch eine in der Darstellung senkrechte Punktlinie angedeutet
ist.
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Im
weiteren Verlauf des Strahlenganges 1 ist eine Objektivlinse 7 im
Abstand ihrer Brennweite von der zu untersuchenden Fläche 6 entfernt
angeordnet. Die Objektivlinse 7 bildet die Abbildung der
Messmarke 3 auf einen Detektor 8 ab. Die Detektorebene
bzw. der Detektor 8 ist ebenfalls im Abstand der Brennweite
der Objektivlinse 7 auf der gegenüberliegenden Seite angeordnet.
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Der
vorstehend erläuterte
Aufbau bewirkt eine 1:1 Abbildung der Messmarke 3 auf den
Detektor 8. Für
eine übersichtliche
Darstellung ist der Strahlengang in der 1 ungefaltet
gezeigt. In der Praxis ist üblicherweise
in dem Strahlengang 1 zwischen der Messmarke 3 und
der Kollimatorlinse 5 ein Strahlteiler angeordnet und die
zu untersuchende Oberfläche 6 ist
dann eine Reflexions- bzw. Spiegelfläche für die Lichtstrahlen. Der Strahlengang 1 wird dann
an der zu untersuchenden Fläche 6 auf
sich selbst gefaltet, so dass die Kollimatorlinse 5 gleichzeitig
als Objektivlinse 7 dient.
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Eine
Verkippung der zu untersuchenden Fläche 6 führt nach
der Reflexion dazu, dass der Strahlengang vor der Reflexion nicht
mehr parallel zu dem Strahlengang nach der Reflexion verläuft. In
der Detektorebene ist die Abbildung der Messmarke entsprechend verschoben.
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Die 2a–d zeigen
beispielhafte Intensitätsverteilungen
der Abbildung einer Messmarke, die in den dargestellten Beispielen
acht Längsschlitze aufweist,
bei einer geringen numerischen Apertur. Die zu untersuchende Fläche ist
in diesen Beispielen nicht verkippt, so dass keine Verschiebung
der Abbildung in der Detektorebene stattfindet. Wenn zeitlich und
räumlich
kohärentes
Licht das reelle Bild bei geringer numerischer Apertur bildet, ist
das elektrische Feld der PSF (point spread function), das E-PSF,
für Berechnungen
zu verwenden.
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Eine
Verbreiterung der PSF bedeutet hierbei eine Verschlechterung der
Abbildung der Messmarke. Die Kanten der Messmarke, die aus mehreren Längsschlitzen
besteht, werden bei einer Verbreiterung der PSF immer ungenauer
aufgelöst
bzw. detektiert und verschwinden schließlich vollständig, wenn die
Grenzfrequenz einer MTF (modulation transfer function) erreicht
ist. Bei der zunehmenden Verbreiterung der PSF nimmt das Integral
der Überlappung der
Beugungsbilder der einzelnen Längsschlitze
zu. Dies führt
bei üblichen
Autokollimationsfernrohren zu einer Abnahme des Kontrastes und einer
Verbreiterung der Schlitzbilder. Die Änderung der PSF führt zu einer Änderung
der Lage der Kanten, d. h. sie führt zunehmend
zu einem Fehler in der Bestimmung der Lage des Bildes der Messmarke.
Dadurch wird die Messung des Winkels fehlerhaft. Wird ein Autokollimationsfernrohr
mit einer Messmarke betrachtet, die N-Schlitze hat, die nicht mehr
getrennt aufgelöst
werden können,
so wird die Messgenauigkeit zumindest um einen Faktor > √N reduziert.
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Die 2a zeigt
die Intensitätsverteilung
einer berechneten Abbildung der Messmarke in der Detektorebene.
Eine Aperturbegrenzung von 2 mm Durchmesser ist vor der zu untersuchenden
Oberfläche
angeordnet. Wenn der Durchmesser der Aperturbegrenzung auf 1,5 mm
Durchmesser reduziert wird, ist die Abbildung der Messmar ke verbreitert,
so dass die acht Längsschlitze
der simulierten Messmarke nicht länger erfassbar sind. Dies ist
in der 2b dargestellt.
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2c entspricht
der Situation der 2a, d. h. eine Begrenzung der
numerischen Apertur auf einen Durchmesser von 2 mm, mit dem Unterschied, dass
eine alternierende Phasenfunktion eingeführt ist. Wird nun bei einer
alternierenden Phasenfunktion die numerische Apertur vergleichbar
zu der Situation in 2b auf einen Durchmesser von
1,5 mm reduziert, ergibt sich die in 2d dargestellte
Intensitätsverteilung.
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Ein
Vergleich der Intensitätsverteilungen
in den 2c bzw. 2d mit
den Intensitätsverteilungen
der 2a bzw. 2b zeigt
die höhere
Auflösung
aufgrund der alternierenden Phasenfunktion. Deutlich ist in den 2c und 2d zwischen
den einzelnen Maxima der Intensitätsverteilung jeweils ein Nulldurchgang
zu erkennen, der durch die destruktive Interferenz erreicht wird.
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Bei
voller Apertur des Autokollimationsfernrohrs liegt auf dem Detektor
ein Bild der Strichmarke bzw. Messmarke vor, welches der Ausgangssituation entspricht,
da die einzelnen Striche der Marke räumlich deutlich getrennt sind.
Die PSF hat in diesem Fall ihre geringste Ausdehnung, d. h. das
Intergral der Überlappung
der Beugungsbilder der einzelnen Schlitze ist nahezu Null. Die Funktionalität des Autokollimationsfernrohrs
bleibt bei voller numerischer Apertur folglich unverändert.
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Wird
die numerische Apertur jedoch reduziert, indem beispielsweise eine
kleine Messfläche angetastet
wird, so nimmt der Bereich der Überlappung
der Beugungsbilder der einzelnen Schlitze zu. Durch die vorliegende
Gegenphasigkeit der Beugungsbilder benachbarter Schlitze liegt jedoch
destruktive Interferenz vor. Folglich wird zwischen den Bildern
der einzelnen Schlitze die Intensität Null realisiert. Somit ist
auch ein einer deutlichen Verbreiterung der PSB ein scharfes Bild
der Messmarke gegeben, wie in den 2c und 2d gezeigt
ist.
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Die
Messgenauigkeit des Autokollimationsfernrohrs, die auch durch die
Anzahl N der Schlitze bestimmt wird, bleibt somit auch bei sehr
kleiner numerischer Apertur erhalten. Bei einer kleinen numerischen
Apertur, die es nicht mehr gestattet, die einzelnen Schlitze aufzulösen, wird
somit eine Erhöhung der
Messgenauigkeit um einen Faktor > √N erreicht. Alle
Kanten werden somit bei einer höheren
Kantensteilheit aufgelöst.
Betrachtet man den Durchmesser Dmin, den
man mit einem nicht modifizierten Autokollimationsfernrohr bei vorgegebener
Messgenauigkeit noch antasten kann, so lässt sich dieser durch die Modifikation
mehr als halbieren. Mit Hilfe von Phasenstrukturen kann bei einer
kleinen numerischen Apertur die Anzahl der Schlitze deutlich erhöht werden.