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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung für eine teilweise im Vakuum angeordnete Interferometerstrecke.
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In der
EP 2 573 507 B1 ist eine Präzisionstransportvorrichtung beschrieben, welche ein Laserinterferometer verwendet. Ein Abschnitt der Laserstrecke verläuft durch einen Balg, in welchem Vakuum ausgebildet sein kann.
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Die
DE 195 44 917 A1 beschreibt ein Interferometer zur Messung der Entfernung zu einem bewegbaren Gegenstand. Das Interferometer besitzt eine Laserumhüllung, die einen wesentlichen Teil des Weges des Messstrahles entlang eines Strahlweges auf eine reflektierende Oberfläche umschließt, um kontrollierte Umgebungsbedingungen bereitzustellen. Die Laserumhüllung kann in ihrer effektiven Länge variiert werden, wenn die reflektierende Oberfläche ihre Position relativ zu dem Laserinterferometer ändert, sodass ein wesentlicher Teil des Strahlweges durch die Umhüllung umschlossen bleibt.
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Interferometer werden für Präzisionsmessungen, insbesondere auch für Längenmessungen im Nanometerbereich eingesetzt. Die Messung beruht auf der Detektion von Interferenzen, die bei der Überlagerung von Lichtwellen auftreten. Bei hohen Präzisionsanforderungen wirken sich bereits minimale Änderungen des Brechungsindex in Luft negativ aus. Um diese Fehlerquelle zu umgehen, verwendet beispielsweise ein von der Firma Nikon entwickelter Strichmaßkomparator einen Interferometeraufbau, dessen Interferometerstrecke teilweise im Vakuum verläuft und dazu von einem Metallbalg gekapselt ist (Akira Takahashi, Nobuharu Miwa: „An experimental verification of the compensation of length change of line scales caused by ambient air pressure“ in Measurement Science and Technology, Ausgabe 21, Nummer 4, 15.03.2010, 2010 IOP Publishing Ltd.). Der Balg ermöglicht eine Längenänderung und ist an seinem nach außen gerichteten Ende mit einem Fenster bestückt, so dass ein kleiner Restweg der Interferometerstrecke in Luft entsteht. Der Abstand zwischen dem Fenster und einem Messspiegel muss konstant gehalten werden. Der Einsatz eines solchen Balgs gestattet dies, hat aber u.a. den Nachteil, dass sich der minimale Messzirkel aufgrund des für den zusammengefalteten Balg benötigten Platzes verlängert. Durch die axiale Ausdehnung der Lamellen des Balgs wird der Abstand zwischen Mess- und Referenzstrahl im Interferometer stark vergrößert. Außerdem resultiert aus dem Differenzdruck zwischen Vakuum im Balg und der Atmosphäre außerhalb des Balgs, sowie aus der Federkonstante des Balgs eine Kraft auf das Gehäuse des Interferometerteilers in Messrichtung, woraus sich zusätzliche Messfehler ergeben. Durch die Hysterese im Balg ist diese Kraft auch regelungstechnisch nur schwer zu beherrschen.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend von dem zuvor genannten Stand der Technik darin, eine verbesserte Dichtungsanordnung für eine teilweise im Vakuum angeordnete Interferometerstrecke bereit zu stellen, welche die oben genannten Nachteile minimiert bzw. vermeidet.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Dichtungsanordnung gemäß dem beigefügten Anspruch 1.
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Die erfindungsgemäße Dichtungsanordnung für eine teilweise im Vakuum angeordnete Interferometerstrecke besitzt zunächst in herkömmlicher Weise ein Gehäuse, welches luftdicht ist, um darin ein Vakuum zu erzeugen. Vorzugsweise wird ein Hochvakuum erzeugt, beispielsweise im Bereich von 10-6 mbar. Im Gehäuse ist eine Interferometereinheit angeordnet mit den optischen Elementen, die dem Fachmann für die verschiedenen Bauarten von Interferometern bekannt sind und daher hier nicht näher beschrieben werden. Zur Interferometereinheit wird vorzugsweise von einer außerhalb des Gehäuses angeordneten Laserlichtquelle ein Laserstrahl eingekoppelt, wozu bevorzugt mindestens ein Koppelfenster am Gehäuse vorgesehen ist. Die Interferometereinheit stellt einen Messlichtstrahl und einen oder mehrere dazu vorzugsweise parallel laufende Referenzstrahlen bereit. Das Gehäuse ist durch einen Deckel in einer Verschlussebene vakuumdicht verschlossen. Erfindungsgemäß erstreckt sich die Verschlussebene parallel zur Achse des Messlichtstrahls und der Deckel trägt ein Messfenster zum Durchlass des Messlichtstrahls nach außen in Richtung zu einem Messspiegel, der nicht der Dichtungsanordnung zugehörig ist. Außerdem ist für die Erfindung wesentlich, dass in der Verschlussebene zwischen dem Deckel und dem Gehäuse ein Deckel-Luftlager ausgebildet ist, welches eine Verschiebung von Gehäuse und Deckel zueinander in der Verschlussebene gestattet. Diese Verschiebung ist linear in mindestens einer Richtung ermöglicht, vorzugsweise auch planar in beiden Richtungen der Verschlussebene. Das Deckel-Luftlager ist vakuumdicht ausgebildet, sodass das Vakuum im Gehäuse auch bei einer Verschiebung des Deckels aufrecht erhalten bleibt.
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Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung besteht darin, dass der für eine Längenmessung gebildete Messzirkel nur noch durch die Gehäusewand und das Messfenster verlängert wird. Diese Verlängerung kann wesentlich kleiner gehalten werden als beim Einsatz eines Balgs in der Messstrecke, wie es im Stand der Technik erfolgt. Auftretende Kräfte wirken beim erfindungsgemäßen Aufbau nur noch senkrecht zur Messrichtung und können durch ein massiv realisierbares Gehäuse gut aufgenommen werden. Eine unerwünschte Verformung in Richtung des Messlichtstrahls wird damit vermieden.
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Bevorzugte Ausführungsformen umfassen ein Gegenlager zu dem Deckel-Luftlager, welches bevorzugt dem Deckel-Luftlager gleicht. Hierdurch wird die Last komplett entkoppelt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind im Deckel-Luftlager mehrere Absaugkanäle ausgebildet, welche an eine Vakuumpumpe anschließbar sind. Die Absaugkanäle schließen den druckbeaufschlagten Tragbereich des Deckel-Luftlagers ein, sodass dieser vom Innenraum des Gehäuses getrennt ist, um dort das Vakuum aufrecht zu erhalten.
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Zur weiteren Reduzierung möglicher Messfehler ist die Optik der Interferometereinheit bevorzugt vollständig differenziell ausgelegt. Damit lassen sich vor allem die Auswirkungen reduzieren, die Temperaturschwankungen auf die optischen Elemente ausüben können.
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Eine weitergebildete Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Interferometereinheit an einem Trägerrahmen befestigt ist, welcher sich vakuumdicht durch die Wandung des Gehäuses nach außen erstreckt. Am Trägerrahmen können außerhalb des Gehäuses beispielsweise ein Mikroskop oder eine andere Messeinheit angebracht sein. Am Trägerrahmen ist außerhalb des Gehäuses bevorzugt ein Referenzspiegel der Interferometereinheit angebracht; insbesondere an einer optischen Bearbeitungs- oder Bilderfassungseinheit.
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Die beschriebene Dichtungsanordnung kann mit Anpassungen auch zur Messung der Brechzahl von Gasen eingesetzt werden.
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Am Trägerrahmen ist bevorzugt auch ein fester Spiegel angeordnet, welcher gemeinsam mit einer zweiten Interferometereinheit zur Ausbildung einer Messvorrichtung zur Bestimmung der Brechzahl von Gasen dient. Mit der zweiten Interferometereinheit ist die Verschiebung des Mess- bzw. Koppelfensters zu messen.
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Es ist zweckmäßig, wenn der Deckel einen U-förmigen Längsschnitt aufweist, also in der Form einer Wanne mit senkrecht zu einer Deckfläche stehenden Seitenwänden gestaltet ist. Das Messfenster kann in diesem Fall in einer der Seitenwände angebracht und senkrecht zur Verschlussebene ausgerichtet sein. Vorzugsweise erstreckt sich die Interferometereinheit über die Verschlussebene hinaus in den Deckel hinein, um den Messlichtstrahl in Richtung zum Messfenster zu richten.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Deckel an einen Linear- oder Planarantrieb gekoppelt, welcher den Deckel in der Verschlussebene linear oder planar verschiebt, um den Abstand zwischen dem Messlichtfenster und einem externen Messspiegel konstant zu halten. Das Gehäuse ist stattdessen stationär.
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Weitere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform einer Dichtungsanordnung für eine teilweise im Vakuum angeordnete Interferometerstrecke, unter Bezugnahme auf die Zeichnung.
- 1 zeigt eine vereinfachte Schnittansicht eines Interferometersystems mit einer beispielhaften Ausführungsform einer Dichtungsanordnung sowie einen angekoppelten Messtisch.
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1 zeigt ein Interferometersystem 01, welches mit einem Messtisch 02 zusammenwirkt. Der Messtisch 02 umfasst einen stationären Messtisch-Stator 03, einen Messtisch-Antrieb 04 und einen Messschlitten 05, auf welchem sich ein Messobjekt 06 befindet. Der Messschlitten 05 ist mindestens in x-Richtung, vorzugsweise in x- und y-Richtung verfahrbar.
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Das Interferometersystem 01 umfasst einen Stator 08, der ein stationäres Gehäuse 09 trägt. Das Gehäuse 09 ist vakuumdicht verschlossen durch einen Deckel 10, der sich im dargestellten Beispiel an der Unterseite befindet. Der Deckel 10 ist an eine Antriebseinheit 11 gekoppelt, welche eine Bewegung des Deckels 10 in x-Richtung und/oder in y-Richtung ermöglicht, insbesondere um die für die Messung erforderlichen Strecken von beispielsweise etwa 300 mm.
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Innerhalb des Gehäuses 09 befindet sich eine Interferometereinheit 12, die sich teilweise in den Bereich des Deckels 10 erstreckt. Im Innenraum des Gehäuses 09 ist im Betriebszustand Vakuum ausgebildet, sodass der Großteil des Interferometerstrahlengangs im Vakuum verläuft. Am Gehäuse 09 ist ein Koppelfenster 13 vorgesehen, über welches ein Laserstrahl 14 zur Interferometereinheit 12 eingekoppelt wird. Außerdem trägt das Gehäuse 09 ein Referenzfenster 16, über welches ein Referenzlichtstrahl 17 zu einem Referenzspiegel 18 geführt wird, der an einem externen Mikroskop 19 befestigt sein kann. An einer Seitenwand des Deckels 10 ist ein Messfenster 20 angebracht, welches einen Messlichtstrahl 21 passieren lässt zu einem Messspiegel 22, der am Messschlitten 05 angebracht ist. Das Gehäuse 09 kann auch mehrere der Koppelfenster 13 und mehrere der Referenzfenster 16 umfassen. Bevorzugt ist die Interferometereinheit 12 vollständig winkelkompensiert ausgebildet, wofür sie beispielsweise zur Ausbildung von vier Teilstrahlen konfiguriert ist. Daher können auch mehrere der Referenzfenster 16 und/oder mehrere der Messfenster 20 verwendet werden, um gleiche Durchbiegungseigenschaften bei Luftdruckänderungen wie im Messstrahl zu erzielen und damit eine bessere Fehlerkompensation zu erzielen.
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Der Messlichtstrahl 21 verläuft zwischen dem Messfenster 20 und dem Messspiegel 22 in Luft. Der dort bestehende Abstand a1 soll möglichst klein gewählt sein und muss während der Messung konstant gehalten werden. Dazu wird der Deckel 10 mit dem daran befestigten Messfenster 20 von der Antriebseinheit 11 der Bewegung des Messschlitten 05 nachgeführt.
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Um die ein- oder zweidimensionale Bewegung des Deckels 10 gegenüber dem stationären Gehäuse 09 zu ermöglichen, ist in einer Verschlussebene, die parallel zum Messlichtstrahl 21 liegt und zwischen dem Deckel 10 und dem Gehäuse 09 verläuft, ein Deckel-Luftlager 24 ausgebildet. Das Deckel-Luftlager 24 besitzt einen zentralen Tragbereich 25, der mit Druckluft versorgt wird, um die Tragfähigkeit des Deckel-Luftlagers herzustellen. Der Tragbereich 25 ist eingefasst von Absaugkanälen 26, die als Nuten in umlaufenden Dichtstegen ausgebildet sein können. Die Absaugkanäle 26 werden im Betriebszustand z. B. mit einer Vakuumpumpe evakuiert, um das Eindringen der Lagerluft in den evakuierten Innenraum des Gehäuses 09 zu vermeiden. Vorzugsweise verläuft einer der Absaugkanäle 26 auf der nach außen gewandten Seite des Tragbereichs 25 und zwei weitere Absaugkanäle 26 verlaufen in parallelen Spuren an der zum Innenraum des Gehäuses 09 gerichteten Seite des Tragbereichs 25.
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In der gezeigten Ausführungsform ist die Interferometereinheit 12 an einem Trägerrahmen 28 befestigt. Der Trägerrahmen 28 erstreckt sich aus dem Gehäuse 09 heraus, wobei die Durchführungen gasdicht gestaltet sind, und trägt an einem vom Gehäuse 09 abgewandten Ende das Mikroskop 19 mit dem Referenzspiegel 18. Dadurch ist eine stabile Verbindung der verschiedenen optischen Elemente des zum Referenzspiegel 18 verlaufenden optischen Interferometerarms gewährleistet, womit sich Messfehler weiter reduzieren lassen. Um den Trägerrahmen 28 frei von Deformationen zu halten bzw. solche Deformationen zu minimieren, ist das Vakuum beidseitig des innerhalb des Gehäuses 09 laufenden Abschnitts des Trägerrahmens 28 ausgebildet. Die Abdichtung des Vakuums zwischen dem Gehäuse 09 und dem Trägerrahmen 28 erfolgt vorzugsweise durch weiche flexible Dichtelemente (nicht gezeigt), die so angeordnet sind, dass wenig parasitäre Kräfte auf den Trägerrahmen 28 ausgeübt werden.
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Der Abstand a2 zwischen dem Referenzfenster 16 und dem Referenzspiegel 18 soll ebenfalls möglichst konstant gehalten werden. Um dies auch bei auftretenden temperaturbedingten Längenänderungen zu gewährleisten, ist am Referenzfenster 16 ein Justageantrieb 29 angeordnet, welcher eine geringfügige axiale Verstellung des Referenzfensters 16 ermöglicht, beispielsweise im Bereich von etwa 100µm.
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Bezugszeichenliste
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- 01
- Interferometersystem
- 02
- Messtisch
- 03
- Messtisch-Stator
- 04
- Messtisch-Antrieb
- 05
- Messschlitten
- 06
- Messobjekt
- 07
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- 08
- Stator
- 09
- Gehäuse
- 10
- Deckel
- 11
- Antriebseinheit
- 12
- Interferometereinheit
- 13
- Koppelfenster
- 14
- Laserstrahl
- 15
- --
- 16
- Referenzfenster
- 17
- Referenzlichtstrahl
- 18
- Referenzspiegel
- 19
- Mikroskop
- 20
- Messfenster
- 21
- Messlichtstrahl
- 22
- Messspiegel
- 23
- --
- 24
- Deckel-Luftlager
- 25
- Tragbereich
- 26
- Absaugkanäle
- 27
- --
- 28
- Trägerrahmen
- 29
- Justageantrieb
