DE10357062B4 - System for measuring the tilt of structured surfaces - Google Patents
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Abstract
System
zur Messung der Verkippung, bei der ein optisches System einen Lichtstrahl
auf eine Oberfläche
wirft, dieser wieder abgestrahlt wird und auf einen Detektor trifft,
dadurch gekennzeichnet, dass
zur störungsfreien, schnellen und
genauen Messung der Verkippung entweder die Oberfläche der
zu messenden Ebene strukturiert ist, oder diese Strukturierung teilweise oder
ganz durch die Verkippungsebene hindurch getrieben ist, so dass
die einfallende Strahlung an der Verkippungsebene entweder reflektiert
oder auch transmittiert wird, wobei die Strukturierung der Verkippungsebene
derart gestaltet ist,
dass durch Brechung und/oder Beugung
der Strahlengang der einfallenden Strahlung verändert wird, so dass sich auf dem
strahlungsempfindlichen Detektor der Auswerteschaltung eine für die Strukturierung
charakteristische Änderung des
Ortsmusters oder Energieschwerpunktes, der von der Verkippungsebene
reflektierten/transmittierten Strahlung, ergibt.System for measuring the tilting, in which an optical system throws a light beam onto a surface, which is radiated again and impinges on a detector, characterized in that
for interference-free, fast and accurate measurement of the tilt either the surface of the plane to be measured is structured, or this structuring is driven partially or completely through the tilt plane, so that the incident radiation is either reflected or transmitted at the tilt plane, the structuring the tilting plane is designed in such a way
that the beam path of the incident radiation is changed by refraction and / or diffraction, so that on the radiation-sensitive detector of the evaluation circuit for the structuring characteristic change of the spatial pattern or energy focus, the reflected from the tilt plane / transmitted radiation results.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein System zur Messung der Verkippung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The The invention relates to a system for measuring tilting according to the preamble of Patent claim 1.
Zur Bestimmung von Verkippungen finden eine Reihe von Messprinzipien Anwendung. Die bestehenden Systeme sind makroskopisch ausgeführt und fast alle sind prinzipbedingt nicht für die Anwendung in der Mikrosystemtechnik (Größenordnung von Mikrometern) geeignet.to Determination of tilting find a number of measuring principles Application. The existing systems are executed macroscopically and Almost all are inherently not for use in microsystems technology (Order of magnitude of Micrometers).
Aus dem Stand der Technik sind Messsysteme, die die Verkippung einer Elektrodenanordnung in einem Elektrolyten als Messsignal verwenden, bekannt (P1). Dieses Prinzip basiert auf der Gravitation und hat den Horizont als Bezugsrahmen, da sich die Oberfläche des Elektrolyten im Gleichgewichtsfall aufgrund der Schwerkraft immer parallel zum Horizont ausrichtet. In (P2) wird ebenfalls ein elektrolytisches Sensorprinzip vorgestellt. Ein weiteres Messprinzip mittels magnetischen Flüssigkeit ist in (1) beschrieben. (P3) beschreibt ein System, dass den Seebeck-Effekt zur Messung der Verkippung nutzt. Auch dieses System ist gravitationsbestimmt und hat den Horizont als 0°-Grad-Bezugsrahmen.Out The prior art are measuring systems that tilt a Use electrode arrangement in an electrolyte as a measurement signal, known (P1). This principle is based on gravity and has the horizon as a frame of reference, as the surface of the Electrolytes in the case of equilibrium always due to gravity Aligns parallel to the horizon. In (P2) is also an electrolytic Sensor principle presented. Another measuring principle by means of magnetic liquid is described in (1). (P3) describes a system that the Seebeck effect uses for measuring the tilting. This system is also gravitational and has the horizon as a 0 degree reference frame.
Ein weiteres Messsystem arbeitet kapazitiv nach dem Prinzip eines elektrischen Kondensators. Da elektrisches Feld und Ladungsverteilung als unabhängig vom herrschenden Gravitationsfeld gesehen werden können, orientiert sich dieses Messsystem nicht am sichtbaren Horizont.One Another measuring system works capacitively according to the principle of an electric Capacitor. Since electric field and charge distribution as independent of dominant gravitational field can be seen, this is oriented Measuring system not on the visible horizon.
(P4) beschreibt ein optisches Prinzip zur Messung von Position und Verkippung durch schrägen Einfall und Reflexion an einer unstrukturierten Oberfläche. Um, vor allem bei sehr geringen Verkippungen (z. B. 0,1 bis 5°), eine in der Praxis gute Sensitivität zwischen Verkippungsgrad und Ortswechsel des reflektierten Strahls auf dem PSD zu erreichen, muss unter einem Winkel, der von 90° verschieden ist (dies ist auch in (P4) festgelegt), auf die Verkippungsfläche eingestrahlt werden. Die Reflexion des schräg einfallenden Lichtstrahls findet dabei jedoch an einer unstrukturierten Oberfläche statt, wobei hier das Prinzip einfacher Reflexion (Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel) genutzt wird. Existierende optische und kapazitive Messsysteme wie von Micro-Epsilon GmbH & Co KG nutzen die diffuse Streuung an der Reflexionsebene, um daraus den Abstand zu berechnen. Das in (P5) beschriebene Verfahren behandelt lediglich den Spezialfall der Verkippung von zwei Platten, welche sich um eine gemeinsame Achse drehen.(P4) describes an optical principle for measuring position and tilt by oblique Incidence and reflection on an unstructured surface. Around, especially at very low tilting (eg 0.1 to 5 °), an in the practice good sensitivity between tilting degree and change of location of the reflected beam to reach on the PSD, must be at an angle that is different from 90 ° (this is also specified in (P4)), irradiated on the tilting surface become. The reflection of the oblique incident light beam, however, finds it on an unstructured surface instead, here the principle of simple reflection (angle of incidence equal failure angle) is used. Existing optical and capacitive Measuring systems such as Micro-Epsilon GmbH & Co KG use the diffuse scattering at the reflection plane to calculate the distance. The in (P5) only deals with the special case the tilting of two plates, which is a common Turn axis.
Zunächst ist festzustellen, dass (P1)–(P3), makroskopische Systeme beschreiben. Diese Systeme sind so nicht für die Verkippungsmessung in der Mikrosystemtechnik zu verwenden. Bei diesen Verfahren geschieht zudem die Verkippungsmessung nicht kontaktlos, d. h. diese Sensoren müssen von Hand oder maschinell auf das Messobjekt aufgebracht werden. Dies ist in mikrotechnischen Aufbauten, wo im Bereich von Mikrometern zum einen keine Handmontage möglich ist und abgesehen davon das Messobjekt von außen, also nach der prozesstechnischen Fertigung, oft nicht erreichbar ist, überhaupt nicht oder nur sehr eingeschränkt möglich. Das angeführte thermische Messsystem (P3) ist zudem prinzipbedingt träge und das elektrolytische System sehr stark erschütterungsempfindlich; es sei denn es würden höher viskose Flüssigkeiten verwendet, was aber wiederum die Ansprechzeit erhöht und das Messsystem träge macht.First is find that (P1) - (P3), macroscopic Describe systems. These systems are not for tilt measurement to use in microsystems technology. In these procedures happens In addition, the tilt measurement is not contactless, d. H. these sensors have to be applied by hand or by machine to the test object. This is in microtechnical constructions where in the micrometer range on the one hand, no manual assembly possible is and apart from the measurement object from the outside, so after the process engineering Manufacturing, often unavailable, not at all or only very limited possible. The cited thermal measuring system (P3) is also inherently sluggish and the electrolytic system very sensitive to vibration; it was because it would higher viscosity liquids which in turn increases the response time and the measuring system makes you sluggish.
Diese Nachteile umgehen die kapazitiven und optischen Messverfahren. Sie nutzen kein träges oder erschütterungsempfindliches Medium und arbeiten berührungslos. Beide Verfahren sind in der Mikrosystemtechnik anwendbar, wobei optische Verfahren noch den Vorteil haben sehr gut skalierbar zu sein und mit gleichbleibender Genauigkeit sowohl für makroskopische als auch mikroskopische Aufbauten verwendbar zu sein. Des weiteren sind optische und kapazitive Systeme mit ihrer schnellen Ansprechzeit für Echtzeit-Monitoring geeignet. Optische Verfahren haben zudem den Vorteil, dass das Messprinzip unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Störfeldern ist und sie selbst auch nicht als Quelle elektrischer Störfelder auftreten.These Disadvantages avoid the capacitive and optical measuring methods. she do not use lethargic or vibration-sensitive Medium and work without contact. Both methods are applicable in microsystem technology, wherein optical methods still have the advantage of being very scalable and with consistent accuracy for both macroscopic and microscopic Constructions to be suitable. Furthermore, optical and capacitive Systems with their fast response time suitable for real-time monitoring. Optical methods also have the advantage that the measuring principle insensitive to electromagnetic interference fields and she herself is not a source of electrical interference occur.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein schnelles und dabei hochgenaues, relativ einfach zu integrierendes und universell, auch in der Mikrosystemtechnik, einsetzbares Messsystem zu finden. Das Messprinzip soll relativ leicht in bestehende Systeme integrierbar sein, sich gut in den baulichen Dimensionen nach oben und unten skalieren lassen und auch senkrechten Einfall des Messstrahls zulassen (um z. B. hochintegrierbare Strahlquellen wie vertikal oberflächenemittierende Laser (VCSEL) für die Verkippungsmessung in der Mikrosystemtechnik nutzbar zu machen).task The invention is a fast and yet highly accurate, relatively easy to integrate and universal, also in microsystem technology, to find usable measuring system. The measuring principle should be relative Easy to integrate into existing systems, look good in the scale dimensions up and down and also vertical Allow incidence of the measuring beam (eg by highly integrated beam sources as vertical surface emitting Laser (VCSEL) for to use the tilt measurement in microsystem technology).
Eine weitere Aufgabe besteht darin, mit der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung ein Feedbacksystem für mikrooptische Anwendung realisieren zu können, mit der die Verkippung von Mikrospiegeln eingestellt und langzeitstabil kontrolliert und gegebenenfalls adaptiert werden kann. In Verbindung damit soll der zu schaltende Lichtstrahl auch als Messstrahl zur Verkippungsbestimmung herangezogen werden. Es wird angestrebt dadurch pro Verkippungseinheit (z. B. Mikrospiegel) eine sonst notwenige Strahlquelle einzusparen. Diese Aufgaben werden durch die in Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale wie, dass es sich um ein optisches Messverfahren mit Strukturierung der Oberfläche der Verkippungsebene und den Einsatz von Reflexions- oder Transmissionsgittern handelt, gelöst.Another object is to be able to realize with the specified in claim 1 invention, a feedback system for micro-optical application, adjusted with the tilting of micromirrors and controlled long-term stability and optionally adapted. In conjunction with this, the light beam to be switched should also be used as a measuring beam for tilting determination. It is thereby sought by each Verkippungseinheit (eg., Micromirror) otherwise notweni to save the beam source. These objects are achieved by the features listed in claim 1 such as that it is an optical measuring method with structuring of the surface of the tilt plane and the use of reflection or transmission gratings, solved.
Die mit der Erfindung erreichten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass das grundlegende Prinzip aus (P4) derart erweitert wird, dass das optische Messprinzip der Reflexion an einer Verkippungsebene mit Techniken und Methoden der Mikrosystemtechnik nutzbar gemacht wird, da die prozesstechnischen Anforderungen und Möglichkeiten der Mikrosystemtechnik eine einfache Herunterskalierung des Prinzips aus (P4) nicht erlauben. Darüber hinaus erhöht die vorgestellte Erfindung die Genauigkeit der Messung durch Vergrößerung der Winkeländerung des ausfallenden Strahls, indem sowohl Beugung als auch Reflexion genutzt werden, was mit eine größeren Ortsänderung des Messstrahls auf dem Detektor und damit einem höheren Auflösungsvermögen des Verkippungsgrades einhergeht. Des weiteren wird das einfache Reflexionsprinzip an unstrukturierten Oberflächen durch die Strukturierung derart erweitert, dass auch senkrecht einstrahlende Messstrahlen nicht auf sich selbst zurück reflektiert werden, sondern (beispielsweise für Beugungsordnungen höherer Ordnung, oder speziell auch für vertikal strukturierte diffraktive Strukturen) unter einem deutlich von 0 Grad verschiedenen Winkel auf den Positionsdetektor reflektiert werden können. Dies eröffnet Möglichkeiten für den Einsatz sogenannter vertikal oberflächen-emittierender Laser (VCSEL) zur Verkippungsmessung in der Mikrosystemtechnik und bietet immense Vorteile hinsichtlich Integrationsdichte, Aufbau- und Verbindungstechnik, Positioniergenauigkeit und Herstellungskosten. Ein weiterer Vorteil der hier vorgestellten Erfindung ist, dass bei optischen Anwendungen, die zu schaltende Strahlung gleichzeitig als Messstrahlquelle verwendet werden kann und somit eine extra Strahlquelle zur Verkippungsmessung überflüssig wird. Möglich wird dies durch Strukturierung der Verkippungsebene als Transmissionsgitter.The particular advantages of the invention are that the basic principle of (P4) is extended so that the optical measuring principle of reflection at a tilt plane used with techniques and methods of microsystems technology will, as the process engineering requirements and opportunities Microsystems technology a simple scaling down the principle off (P4). Furthermore elevated the presented invention, the accuracy of the measurement by increasing the angle change of the emergent beam, by both diffraction and reflection be used, resulting in a larger location change of the measuring beam on the detector and thus a higher resolution of the Tilting is accompanied. Furthermore, the simple reflection principle on unstructured surfaces extended by the structuring so that even vertically irradiating measuring beams not back to yourself be reflected, but (for example, for higher order diffraction orders, or especially for vertically structured diffractive structures) under one clearly of 0 degrees different angle reflected on the position detector can be. This opens options for the Use of so-called vertical surface emitting lasers (VCSEL) for tilt measurement in microsystems technology and offers immense Advantages in terms of integration density, assembly and connection technology, Positioning accuracy and manufacturing costs. Another advantage the invention presented here is that in optical applications, the radiation to be switched simultaneously used as a measuring beam source can be and thus an extra beam source for tilt measurement is unnecessary. Possible this is done by structuring the tilt plane as a transmission grating.
Die Erfindung ist sowohl makro- als auch mikrotechnisch nutzbar und dabei einfach in bestehende Designs zu integrieren. Über die frei wählbare Strukturierung der Oberfläche ist es möglich, gezielt bestimmte Reflexions- und/oder Transmissionsverhalten vorzugeben. Es ergibt sich dadurch nicht nur ein „sauberes" Reflexionsverhalten (im Gegensatz zu unstrukturierten Oberflächen mit diffuser Reflexion), sondern der formelle Zusammenhang von Verkippungsgrad und Strahlengang kann auch genau definiert über die jeweils gewählte Strukturierung eingestellt bzw. formell abgeleitet werden. Außerdem profitiert man von einer hohen Reproduzierbarkeit der kritischen Parameter, wie etwa die Justierung der Strahlquelle oder der Genauigkeit der Gitterkonstanten (Gitterstrukturen lassen sich sehr genau und reproduzierbar herstellen). Dazu kommt, dass die vorgestellte Messmethode nicht von der Geometrie des jeweiligen Aufbaus abhängt; im Gegensatz z. B. zu den kapazitiven Messsystemen, wo das Messprinzip grundlegend von der Geometrie des gebildeten Kondensators abhängt.The Invention is both macro- and microtechnically usable and easy to integrate into existing designs. About the freely selectable structuring the surface Is it possible, Specify specifically specific reflection and / or transmission behavior. This not only results in "clean" reflection behavior (in contrast to unstructured reflection behavior) surfaces with diffuse reflection), but the formal relationship of tilting degree and beam path can also be precisely defined over the selected structuring adjusted or formally derived. In addition, one benefits from one high reproducibility of the critical parameters, such as the Adjustment of the beam source or the accuracy of the lattice constants (Grid structures can be produced very accurately and reproducibly). In addition, the presented measuring method does not depend on the geometry depends on the particular structure; in contrast z. B. to the capacitive measuring systems, where the measuring principle fundamentally depends on the geometry of the capacitor formed.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Patentanspruch 2 gegeben. Die Weiterbildung nach Patentanspruch 2 ermöglicht eine hochgenaue, kontinuierliche und dennoch kostengünstige und einfach zu implementierende Auswertung des physikalischen Reflexions- und Beugungsprinzips.A advantageous embodiment of the invention is in claim 2 given. The development according to claim 2 allows a Highly accurate, continuous yet cost effective and easy to implement Evaluation of the physical reflection and diffraction principle.
Zeichnungdrawing
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.In The drawing shows an embodiment is shown and will be closer in the following described.
Es zeigen:It demonstrate:
- 101101
- Seitenansicht der Verkippungsachsesideview the tilt axis
- 102102
- Verkippungsebene im unverkippten ZustandVerkippungsebene in the untilted state
- 103103
- Verkippungsebene verkippt um den Winkel αVerkippungsebene tilted by the angle α
- 104104
- Verkippungsebene verkippt um den Winkel βVerkippungsebene tilted by the angle β
- 105105
-
Strahlengang
des gebeugten/reflektierten Messstrahls im unverkippten Zustand
(
102 )Beam path of the diffracted / reflected measuring beam in the untilted state (102 ) - 106106
-
Strahlengang
des gebuegten/reflektierten Messstrahls im verkippten Zustand β(
104 )Beam path of the bent / reflected measuring beam in the tilted state β (FIG.104 ) - 107,110107.110
- Verkippungsabhängige Positionsänderung auf dem DetektorTilt-dependent position change on the detector
- 108 108
-
Strahlengang
des gebeugten/reflektierten Messstrahls im unverkippten Zustand
(
102 )Beam path of the diffracted / reflected measuring beam in the untilted state (102 ) - 109109
-
Strahlengang
des gebeugten/reflektierten Messstrahls im verkippten Zustand α (
103 )Beam path of the diffracted / reflected measuring beam in the tilted state α (103 ) - 111, 112111, 112
- Positionssensitive Strahlungsdetektorenposition Sensitive radiation detectors
- 113113
- Strahlquellebeam source
- 201201
- Verkippungsebene in der AufsichtVerkippungsebene in the supervision
- 202202
- Oberflächenstruktur der Verkippungsebene (hier ein Liniengitter)surface structure the tilt plane (here a line grid)
- 301301
- Einfallender Strahlincident beam
- 302302
- Verkippungsebene im unverkippten ZustandVerkippungsebene in the untilted state
- 303303
- Beugungsmaximum nullter Ordnung (geradliniger Durchgang)diffraction peak zeroth order (straight-line passage)
- 304, 305304 305
- Strahlengang der Beugungsmaxima ±1. Ordnungbeam path the diffraction maxima ± 1. order
- 306306
- Verkippungsebene im verkippten ZustandVerkippungsebene in the tilted state
- 307, 308307 308
-
Strahlengang
der Beugungsmaxima ±1. Ordnung
im verkippten Zustand (
306 )Beam path of the diffraction maxima ± 1. Order in the tilted state (306 )
- 401401
- Verkippungsebene im unverkippten ZustandVerkippungsebene in the untilted state
- 402402
- Transmissionsgitter (Amplitudengitter)transmission grid (Amplitude grating)
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- Einfallende Strahlungincident radiation
- 404404
- Beugungsmaximum nullter Ordnung (geradliniger Durchgang)diffraction peak zeroth order (straight-line passage)
- 405, 406405 406
- Strahlengang der Beugungsmaxima ±1. Ordnungbeam path the diffraction maxima ± 1. order
- 407, 408407 408
- Strahlengang der Beugungsmaxima ±1. Ordnung bei Verkippungbeam path the diffraction maxima ± 1. order with tilting
- 409, 410409 410
- Positionssensitive Strahlungsdetektoren (z. B. PSDs oder CCDs)position Sensitive Radiation detectors (eg PSDs or CCDs)
- 501501
- Verkippungsebene im unverkippten ZustandVerkippungsebene in the untilted state
- 502502
- Reflektives Gitter (Phasengitter)reflective Grid (phase grid)
- 503503
- Einfallende Strahlung bzw. Beugungsmaximum 0. Ordnungincident Radiation or diffraction maximum 0th order
- 504, 505504 505
- Strahlengang der Beugungsmaxima ±1. Ordnung bei unverkipptem Spiegelbeam path the diffraction maxima ± 1. order with tipped mirror
- 506, 507506 507
- Strahlengang der reflektierten Beugungsmaxima ±1. Ordnung (verkippter Spiegel)beam path the reflected diffraction maxima ± 1. Okay (tilted mirror)
- 508508
- Strahlengang des Beugungsmaximum 0. Ordnung bei verkippter Ebenebeam path of the diffraction maximum of 0th order with tilted plane
- 509, 510509 510
- Positionssensitive Strahlungsdetektoren (z. B. PSDs oder CCDs)position Sensitive Radiation detectors (eg PSDs or CCDs)
- 601601
- VerkippungsebeneVerkippungsebene
- 602602
- Darstellung des Prinzips der Oberflächenstrukturierung (Diffr. Optisches Element)presentation the principle of surface structuring (Diffr. Optical element)
- 603603
- Senkrecht einfallender StrahlPerpendicular incident beam
- 604604
- Reflektierter Messstrahl (Winkel ungleich 90°, z. B. höheres Beugungsmaximum)reflected Measuring beam (angle not equal to 90 °, z. Higher Diffraction maximum)
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- Einfallender Strahlincident beam
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- Verkippungsebene im unverkippten AusgangszustandVerkippungsebene in the untilted initial state
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-
Beugungsmaxima
0. bzw. ±1.
Ordnung im Ausgangszustand (
702 )Diffraction maxima 0. or ± 1. Order in the initial state (702 ) - 706706
- Verkippungsebene im verkippten ZustandVerkippungsebene in the tilted state
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-
Beugungsmaxima
0. bzw. ±1.
Ordnung im verkippten Zustand (
706 )Diffraction maxima 0. or ± 1. Order in the tilted state (706 )
Beschreibung des Ausführungsbeispielsdescription of the embodiment
In
den
Erlaubt es der weitere systemtechnische Aufbau, so ist das reflektive Messprinzip vorteilhaft, da es pro Verkippungsgrad eine deutlich größere Winkeländerung der auf den oder die Detektoren abgegebenen Strahlung mit sich bringt. Der Vorteil der Verkippungsmessung in Transmission ist dagegen die klare räumliche Trennung der Seite, auf welcher die Strahlung einfällt (und z. B. weiter verarbeitet werden soll), und der, auf welcher die positionssensitiven Detektoren positioniert werden, was bauliche Vorteile hat, da die Vorderseite, z. B. im Anwendungsfall optischer Schalter, nicht durch den Platzbedarf der Detektoren reduziert wird. Dies ist besonders im Fall von (mehrdimensionalen) Arrays solcher Mikrospiegel in optischen Schaltern (sog. Optical Crossconnects) von Vorteil bzw. notwendig.
- [1] Olaru R., Coate C. Tilt sensor with magnetic liquid Sensors and Actuators A-Physical 59 (1–3): 133–135, 1997
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