DE19516343A1 - Optical length measurement system for determining precise position of machine saddle moving in straight line - Google Patents

Optical length measurement system for determining precise position of machine saddle moving in straight line

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DE19516343A1 DE1995116343 DE19516343A DE19516343A1 DE 19516343 A1 DE19516343 A1 DE 19516343A1 DE 1995116343 DE1995116343 DE 1995116343 DE 19516343 A DE19516343 A DE 19516343A DE 19516343 A1 DE19516343 A1 DE 19516343A1
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    • G—PHYSICS
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    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
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Abstract

The length meter has a source of parallel light, a gap and a lens located on the saddle to generate a diffraction pattern. A fixed scale divided into narrow strips is positioned at a distance from the lens equal to its focal length. Several strips are located within the principal maximum of the diffraction pattern. The light intensity for every strip is measured separately and the measurement data obtained used to determine the position of the saddle.

Description

Werkzeugmaschinen und Maschinen bei der Chipherstellung besitzen einen Schlitten, der linear verfahren werden kann. Dabei ist es wichtig, die Position des Schlittens genau zu bestimmen.Machine tools and machines in chip manufacture have a slide that can be moved linearly can. It is important to determine the position of the sled to determine exactly.

Die wichtigsten Verfahren sind:The main procedures are:

  • 1. Glasmaßstäbe;1. glass scales;
  • 2. Interferometer ähnlich dem Michelson-Interferometer. Grundprinzip der Glasmaßstäbe:
    Glasmaßstäbe bestehen aus einem Schieber und einem festen Maßstab, auf denen jeweils ein Strichgitter aufgebracht ist. Je nach Position des Schiebers kann Licht durch das System Schieber-Maßstab durchfallen oder nicht (Durchleuchtungsverfahren). Es werden Hell-Dunkel-Durchgänge gezählt. Ein anderes System arbeitet mit Interferenz.    2. Interferometer similar to the Michelson interferometer. Basic principle of glass scales:
    Glass scales consist of a slide and a fixed scale, on each of which a grating is applied. Depending on the position of the slide, light may or may not fall through the slide-scale system (fluoroscopic procedure). Light-dark passes are counted. Another system works with interference.

Literaturhinweis: Heidenhain.Literature reference: Heidenhain.

Grundprinzip des Interferometers:
Ein Laserstrahl wird geteilt. Teilstrahl 1 fällt auf einen festen Spiegel. Teilstrahl 2 fällt auf einen beweglichen Spiegel. Die Strahlen werden zusammengeführt und interferieren. Bei Verschiebung des beweglichen Spiegels verschieben sich die Interferenzstreifen.Basic principle of the interferometer:
A laser beam is split. Partial beam 1 falls on a fixed mirror. Partial beam 2 falls on a movable mirror. The rays are brought together and interfere. When the movable mirror is shifted, the interference fringes shift.

Literaturhinweis: LOT.References: LOT.

Vorteile, Mängel:
Das Interferometer besitzt hohe Auflösung. Sie liegt im Bereich 1 Nanometer. Die Genauigkeit wird, wenn man nicht im Vakuum mißt, durch die Abhängigkeit der Wellen­ länge von Luftdruck, Luftfeuchtigkeit, Lufttemperatur begrenzt.Advantages, shortcomings:
The interferometer has high resolution. It is in the range of 1 nanometer. The accuracy is, if one does not measure in a vacuum, limited by the dependence of the wavelength on air pressure, air humidity, air temperature.

Auch mit Glasmaßstäben werden hohe Auflösungen erreicht. Die Genauigkeit wird begrenztHigh resolutions are also achieved with glass scales. The accuracy is limited

  • 1. Durch die Genauigkeit bei der Herstellung der Strichgit­ ter; 1. By the accuracy in the manufacture of the dashed line ter;  
  • 2. dadurch, daß man die Strichabstände nicht beliebig verkleinern kann, weil unerwünschte Beugungseffekte auftreten, wenn man nicht gleichzeitig die Wellenlänge verringert; 3. durch sog. Interpolationsfehler.2. in that the line spacing is not arbitrary can shrink because of unwanted diffraction effects occur if you don't have the wavelength at the same time decreased; 3. by so-called interpolation errors.

Literatur: Heidenhain.Literature: Heidenhain.

Problemstellung:Problem:

Es soll ein Meßsystem ähnlich den Glasmaßstäben ent­ wickelt werden, bei demIt should ent a measuring system similar to the glass scales be wrapped in the

  • 1. vom Konstruktionsprinzip her eine weitaus größere Genauigkeit erreicht werden kann als die Genauigkeit bei der Herstellung (Strichabstände, Strichbreiten);1. a much larger construction principle Accuracy can be achieved as the accuracy during production (line spacing, line widths);
  • 2. Auch bei großen Meßlängen eine hohe Genauigkeit erreicht wird.2. High accuracy even with long measuring lengths is achieved.

Lösung:
Auf dem beweglichen Schlitten befinden sich eine Licht­ quelle für paralleles Licht, z. B. ein Laser, ein Spalt und eine Linse. Dadurch wird im Abstand der Brennweite von der Linse eine Beugungsfigur erzeugt. Die Beugungs­ figur fällt auf einen festen Maßstab. Wird der Schlitten verschoben, so verschiebt sich die Beugungsfigur. Es soll die Position des Hauptmaximums der Beugungsfigur und damit die Position des Schlittens ermittelt werden. Mit Beugungsfigur sei zukünftig stets das Hauptmaximum der Beugungsfigur gemeint. Das geschieht auf folgende Art und Weise: Auf dem festen Maßstab ist eine Schicht aus einem halbleitenden Material aufgebracht. Fällt Licht auf den Halbleiter, so werden Elektron-Loch-Paare erzeugt. Die Zahl der Elektron-Loch-Paare ist propor­ tional zur Intensität des einfallenden Lichtes. Die halbleitende Fläche ist in schmale Streifen eingeteilt, so daß sich innerhalb der Beugungsfigur (=innerhalb des Hauptmaximums der Beugungsfigur) mehrere Streifen befinden. Es wird ermittelt, wie viele Elektron-Loch-Paare in den einzelnen Streifen erzeugt wurden und dadurch die genaue Position der Beugungsfigur bestimmt. Da der Anstieg der Lichtintensität im Hauptmaximum sehr groß ist, sollte sich schon bei geringer Verrückung der Beugungsfigur eine Änderung der Zahl der Elektron-Loch- Paare in den einzelnen Streifen ergeben. Die Auflösung sollte hoffentlich besser sein als 1 : 100 der Breite der Beugungsfigur.Solution:
On the movable carriage there is a light source for parallel light, e.g. B. a laser, a slit and a lens. This creates a diffraction pattern at the distance of the focal length from the lens. The diffraction figure falls on a fixed scale. If the slide is moved, the diffraction figure moves. The position of the main maximum of the diffraction figure and thus the position of the slide should be determined. In the future, a diffraction figure will always mean the main maximum of the diffraction figure. This is done in the following way: A layer of a semiconducting material is applied on the fixed scale. If light falls on the semiconductor, electron-hole pairs are generated. The number of electron-hole pairs is proportional to the intensity of the incident light. The semiconducting surface is divided into narrow stripes, so that there are several stripes within the diffraction figure (= within the main maximum of the diffraction figure). It is determined how many electron-hole pairs have been generated in the individual strips, thereby determining the exact position of the diffraction figure. Since the increase in light intensity at the main maximum is very large, the number of electron-hole pairs in the individual strips should change even with a slight shift in the diffraction figure. The resolution should hopefully be better than 1: 100 the width of the diffraction figure.

Nun möchte man nicht nur hohe Auflösung, sondern auch hohe Genauigkeit haben, die Genauigkeit soll sehr viel größer sein als die Genauigkeit bei der Positio­ nierung der Streifen. Zu diesem Zweck soll eine Eichung durchgeführt werden, z. B. mit einem Interferometer im Vakuum:
Die erreichte Auflösung des Systems sei a. Der ganze Verfahrweg des Schlittens sei s. Der Schlitten wird in die Positionen a, 2xa, . . . , Nxa gefahren (N=s : a). Für jede Position wird die Zahl der Elektron-Loch-Paare in jedem Streifen ermittelt und abgespeichert. Will man später die Position b des Schlittens bestimmen, so gilt es diejenige Position des Schlittens mxa zu finden, für die die Übereinstimmung der in der Position b gemessenen Zahl der Elektron-Loch-Paare in den ein­ zelnen Streifen mit den bei der Eichung aufgenommenen Werten am besten ist. Es ist dann b=mxa.Now you want not only high resolution, but also high accuracy, the accuracy should be much greater than the accuracy when positioning the strips. For this purpose, a calibration should be carried out, e.g. B. with an interferometer in a vacuum:
The achieved resolution of the system is a. The entire travel path of the slide is s. The slide is in positions a, 2 xa,. . . , Nxa driven (N = s: a). The number of electron-hole pairs in each strip is determined and stored for each position. If you later want to determine the position b of the slide, you have to find the position of the slide mxa for which the number of electron-hole pairs measured in position b in the individual strips matches the values recorded during the calibration the best is. Then it is b = mxa.

Es bleibt das Problem, eine Platte aus einem Halbleiter in Streifen einzuteilen und die Streifen auszulesen. Zum Glück gibt es schon sogenannte CCDs (charge coupled devices). CCDs werden für astronomische Aufnahmen und in Fernsehkameras eingesetzt und z. B. von der Firma Philips hergestellt. Für einen längeren Maßstab muß man mehrere CCDs nebeneinandersetzen.The problem remains, a plate made of a semiconductor divide into strips and read out the strips. Fortunately, there are so-called CCDs (charge coupled devices). CCDs are used for astronomical recordings and used in television cameras and z. B. from the Philips manufactured. For a longer scale you have to put several CCDs side by side.

Vorteile:
Es muß erst durch Versuch herausgefunden werden, wie hoch die Auflösung und die Genauigkeit des Systems wirklich sind. Dies wird auch davon abhängen, wie groß die Streifenbreite beim Halbleiter ist. Derzeit werden CCDs mit Streifenbreiten um 10 Mikrometer gelie­ fert. Nach Angaben eines Experten der Firma Philips läßt sich mit den vorhandenen Maschinen ein CCD mit 3 Mikrometer Streifenbreite fertigen, wobei der Streifen aus einem 1.5 Mikrometer breiten lichtempfindlichen Bereich und einem 1.5 Mikrometer breiten lichtunempfind­ lichen Bereich besteht. Mit besseren Maschinen ließen sich evt. auch noch geringere Streifenbreiten erreichen. Ich würde nun in einem ersten Versuch die Sache so konstruieren, daß sich innerhalb der Beugungsfigur 10 Streifen befinden. Wie hoch ist die Auflösung? Beträgt sie 1 : 100 oder 1 : 500 der Breite der Beugungsfigur? Das läßt sich von vornherein nicht sagen. Rechenbeispiel: Streifenbreite 3 Mikrometer, Auflösung 1 : 100 der Breite der Beugungsfigur ergibt Auflösung 0.3 Mikrometer. Wenn man bedenkt, daß die Genauigkeit wegen der Methode der Eichung nicht wesentlich schlechter sein sollte als die Auflösung, vielleicht einen Faktor 2 schlechter, ist das schon ein guter Wert. Für lange Maßstäbe ist die Genauigkeit besser als bei den heute lieferbaren. Sollte die Auflösung im Bereich 1 : 500 der Breite der Beugungsfigur liegen und sollte sich die Streifenbreite noch verkleinern lassen, etwa auf 1 Mikrometer, hätte man auch bei kurzen Maßstäben eine beträchtliche Verbes­ serung.Benefits:
It is only necessary to find out by experiment how high the resolution and the accuracy of the system really are. This will also depend on the width of the stripe in the semiconductor. CCDs with strip widths of around 10 micrometers are currently being supplied. According to an expert from Philips, the existing machines can be used to manufacture a CCD with a 3-micron strip width, the strip consisting of a 1.5-micron wide photosensitive area and a 1.5-micron wide non-photosensitive area. Even better strip widths could possibly be achieved with better machines. In a first attempt I would construct the thing so that there are 10 stripes inside the diffraction figure. What is the resolution? Is it 1: 100 or 1: 500 the width of the diffraction figure? That cannot be said from the start. Calculation example: stripe width 3 micrometers, resolution 1: 100 of the width of the diffraction pattern gives a resolution of 0.3 micrometers. If you consider that the accuracy due to the method of calibration should not be significantly worse than the resolution, perhaps a factor of 2 worse, that's a good value. For long scales, the accuracy is better than that available today. If the resolution is in the range of 1: 500 the width of the diffraction pattern and if the stripe width can be reduced even further, for example to 1 micron, there would be a considerable improvement even on short scales.

Ausführungsbeispiel:
Wellenlänge des Lichtes: 0.5 Mikrometer
Breite des Hauptmaximums: 30 Mikrometer
Streifenabstand: 3 Mikrometer
Spaltweite: 3 Millimeter
Brennweite der Linse: 9 Zentimeter Design example:
Wavelength of light: 0.5 microns
Main maximum width: 30 microns
Strip spacing: 3 microns
Gap width: 3 millimeters
Focal length of the lens: 9 centimeters

LiteraturlisteBibliography

Heidenhain:
Die Bibliothek der Technik, Band 34
Digitale Längen- und Winkelmeßtechnik
Alfons Ernst
Verlag moderne Industrie
86895 Landsberg/Lech
1989Heidenhain:
The library of technology, volume 34
Digital length and angle measurement technology
Alfons Ernst
Publishing house modern industry
86895 Landsberg / Lech
1989

Katalog NC-Längenmeßsysteme der Fa. Heidenhain
Dezember 94
L.O.T.:
Beschreibung des Längenmeßinterferometers ZMI 1000 der Fa. Zygo
L.O.T.-Oriel GmbH
Im tiefen See 58
64293 DarmstadtCatalog NC length measuring systems from Heidenhain
December 94
LOT:
Description of the ZMI 1000 length measuring interferometer from Zygo
LOT-Oriel GmbH
In the deep lake 58
64293 Darmstadt

Claims (3)

1. Längenmeßsystem für die genaue Positionsbestimmung eines Schlittens, der linear verfahren werden kann, z. B. bei Werkzeugmaschinen, Maschinen für die Chipher­ stellung,
dadurch gekennzeichnet,
daß auf dem beweglichen Schlitten eine Lichtquelle für paralleles Licht, ein Spalt und eine Linse befestigt sind, wodurch eine Beugungsfigur erzeugt wird;
daß im Abstand der Brennweite von der Linse sich ein fester Maßstab befindet, welcher in schmale Streifen eingeteilt ist;
daß sich innerhalb des Hauptmaximums der Beugungsfigur mehrere Streifen befinden;
daß die Lichtintensität für jeden Streifen separat gemessen wird und mit Hilfe dieser Meßdaten die Position dem Hauptmaximums und damit die Position des Schlittens bestimmt wird.1. Length measuring system for the exact position determination of a slide that can be moved linearly, e.g. B. in machine tools, machines for the chip position,
characterized,
that a light source for parallel light, a slit and a lens are mounted on the movable carriage, whereby a diffraction figure is produced;
that there is a fixed scale at the distance of the focal length from the lens, which is divided into narrow strips;
that there are several stripes within the main maximum of the diffraction figure;
that the light intensity is measured separately for each strip and with the help of these measurement data the position of the main maximum and thus the position of the carriage is determined. 2. Längenmeßsystem nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem festen Maßstab sich eine Schicht aus einem halbleitenden Material befindet, welche in schmale Streifen eingeteilt ist, und daß die Zahl der pro Zeit­ einheit erzeugten Elektron-Loch-Paare für jeden Streifen separat bestimmt wird, wie es z. B. mit sog. CCDs (charge coupled-devices) möglich ist.2. length measuring system according to claim 1, characterized, that on the fixed scale a layer of one semiconducting material located in narrow Strip is divided, and that the number of times unit-generated electron-hole pairs for each stripe is determined separately, such as. B. with so-called. CCDs (charge coupled devices) is possible. 3. Längenmeßsystem nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Eichung vorgenommen wird. Hierbei wird der ganze Verfahrweg in kleine Schritte eingeteilt und für jeden Schritt die Zahl der pro Zeiteinheit in den einzelnen Streifen erzeugten Elektron-Loch-Paare aufgenommen und abgespeichert. Die Daten werden dann später zur Bestimmung der genauen Position verwendet.3. length measuring system according to claim 1, characterized, that a calibration is carried out. Here the whole Travel path divided into small steps and for everyone Step the number of each unit of time in each Stripes generated electron-hole pairs were added and saved. The data will later become Determination of the exact position used.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111047798A (en) * 2019-11-29 2020-04-21 东莞市万德光电科技有限公司 Linear spot lens, linear optical device and pos machine optical scanning system

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111047798A (en) * 2019-11-29 2020-04-21 东莞市万德光电科技有限公司 Linear spot lens, linear optical device and pos machine optical scanning system

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