DE19926546A1 - Verfahren und Vorrichtung zur hochpräzisen Messung des Rollwinkels während einer linearen Bewegung eines Körpers - Google Patents

Abstract

Die hochpräzise Messung der Änderung des Rollwinkels (7) während einer linearen Bewegung eines Körpers (1) parallel zur Achse (6) des Rollwinkels (7) gelingt dadurch, daß der Körper (1) mit einem linearen Polarisator (22) versehen wird, daß linear polarisierte Strahlung so eingestellt wird, daß sie vom Polarisator (22) in seiner Sollposition nicht durchgelassen wird, daß die Polarisationsachse (24') der polarisierten Strahlung vor dem Auftreffen auf den Polarisator (22) mit einer Frequenz (f) symmetrisch in beide Richtungen hin- und hergedreht wird und daß der vom Polarisator (22) durchgelassene Anteil der Strahlung mit der Frequenz (f) detektiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur hochpräzisen Mes­ sung der Änderung des Rollwinkels während einer linearen Bewegung eines Körpers parallel zur Achse des Rollwinkels. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchfüh­ rung des Verfahrens.

Insbesondere zur hochpräzisen Vermessung einer planen oder sphärischen oder asphärischen Oberfläche eines Gegenstandes ist es bekannt, ein Pentagonprisma mit Abstand von der Ober­ fläche zu verschieben, um die Oberfläche optisch zu scannen. Durch das Pentagonprisma wird ein Abtaststrahl auf die Ober­ fläche gelenkt und von der Oberfläche reflektiert. Der re­ flektierte Strahl wird durch das Pentagonprisma zurückgelei­ tet, um den Abstand der Meßfläche des Pentagonprismas zu der Oberfläche oder den Winkel der Meßfläche zu bestimmen. Hier­ für können interferometrische Verfahren oder vorzugsweise ein Autokollimationsfernrohr verwendet werden. Dabei wird die Topografie der Oberfläche durch eine Winkeldifferenz­ messung bestimmt, wodurch bei der Verwendung eines Pentagon­ prismas Fehler erster Ordnung vermieden werden können. Für die Ermöglichung einer Oberflächenvermessung im Nanometerbe­ reich oder darunter ist es erforderlich, das Pentagonprisma während der Verschiebung parallel zu seiner Ausgangslage zu halten. Es ist daher zweckmäßig, die Verschiebebewegung be­ züglich der drei Winkel im Raum (Rollwinkel, Gierwinkel und Nickwinkel; Roll, Yaw, Pitch) zu kontrollieren und ggf. zu regeln. Die Verschiebung des Pentagonprismas parallel zu sich selbst kann bezüglich des Gierwinkels und des Nick­ winkels unproblematisch durch eine Autokollimationsfernrohr- Meßanordnung vorgenommen werden, die einen Meßstrahl auf eine parallel zur Bewegungsrichtung liegende Fläche des Pen­ tagonprismas richtet. Die für die Messung im Nanometerbe­ reich erforderliche Stabilität bezüglich der Raumwinkel von < 1 Bogensekunde ist auf diese Weise leicht überprüfbar bzw. einstellbar.

Problematisch ist die Überprüfung des Rollwinkels, also die Überprüfung der Drehbewegung um eine in der Bewegungsrich­ tung bzw. parallel zur Bewegungsrichtung liegenden Dreh­ achse. Während der Scanbewegung des Pentagonprismas bewegt sich die senkrecht auf der Bewegungsrichtung stehende Fläche des Pentagonprismas schnell aus dem Meßbereich eines Auto­ kollimationsfernrohres heraus, so daß der Rollwinkel nicht mit herkömmlichen Mitteln mit Hilfe eines Autokollimations­ fernrohres überprüft werden kann. Da auch der Rollwinkel mit einer Genauigkeit von maximal einer Bogensekunde konstant gehalten werden sollte, besteht daher ein erhebliches Be­ dürfnis, den Rollwinkel mit der nötigen Genauigkeit während der linearen Bewegung des Körpers zu messen und ggf. zu re­ geln. Ein diese Genauigkeit ermöglichendes praktikables Meß­ verfahren ist nicht bekannt.

Der Erfindung liegt daher die Problemstellung zugrunde, die hochpräzise Messung der Änderung des Rollwinkels während einer linearen Bewegung eines Körpers parallel zur Achse des Rollwinkels zu ermöglichen.

Ausgehend von dieser Problemstellung ist erfindungsgemäß ein Verfahren der eingangs erwähnten Art dadurch gekennzeichnet, daß der Körper mit einem linearen Polarisator versehen wird, daß linear polarisierte Strahlung so eingestellt wird, daß sie vom Polarisator in seiner Sollposition nicht durchgelas­ sen wird, daß die Polarisationsachse der polarisierten Strahlung vor dem Auftreffen auf den Polarisator mit einer Frequenz f symmetrisch in beide Richtungen hin- und herge­ dreht wird und daß der vom Polarisator durchgelassene Anteil der Strahlung mit der Frequenz f detektiert wird.

Die Erfindung macht sich die bekannte Tatsache zunutze, daß relative Winkelstellungen durch einen linearen Polarisator, der mit linear polarisiertem Licht bestrahlt wird, detek­ tiert werden können. Die üblicherweise verwendete Methode der Messung der Intensität des durch den Polarisator hin­ durchtretenden Anteils des linear polarisierten Lichts ist aber bei weitem nicht genau genug. Die Winkelmessung mit Polarisatoren wird daher üblicherweise nur für Messungen mit geringer Genauigkeit verwendet. Erfindungsgemäß wird der Polarisator so eingestellt, daß in der Sollstellung des linear bewegbaren Körpers die polarisierte Strahlung voll­ ständig abgeblockt wird, so daß kein Signal hinter dem Pola­ risator zu detektieren ist. Vor dem Polarisator wird das linear polarisierte Licht dann jedoch mittels eines Modu­ lators, insbesondere eines Faraday-Modulators, in der Pola­ risationsachse symmetrisch in beide Richtungen gedreht, und zwar mit einer Frequenz f, die beispielsweise im Bereich 50 bis 100 Hz liegen kann. Die Modulation mit der Frequenz f führt dazu, daß für jede Halbwelle der Modulationsfrequenz ein Strahlungsimpuls hinter dem Polarisator detektierbar ist, so daß Strahlungsimpulse mit einer Frequenz 2f detek­ tiert werden. Diese Strahlungsimpulse haben einen iden­ tischen Verlauf, wenn der Polarisator in seiner Sollstellung steht. Ändert sich der Rollwinkel geringfügig, dreht sich der Polarisator entsprechend und führt zu einer unsymme­ trischen Anordnung des Polarisators zur gedrehten Polarisa­ tionsachse der linear polarisierten Strahlung, die vorzugs­ weise das Licht eines Lasers ist. Demzufolge entstehen im hinter dem Polarisator detektierten Signal unterschiedliche Impulse, die aufeinanderfolgen. Die unterschiedlichen Im­ pulse führen zu einer Periodizität mit der Frequenz f, so daß die Messung eines Signalanteils mit der Frequenz f nur dann zu einem Meßsignal führt, wenn eine Abweichung des Rollwinkels von der Sollposition vorliegt. Die Größe des mit dem Frequenzanteils f gemessenen Signals stellt ein Maß für die Abweichung des Rollwinkels von der Sollposition dar. Auf diese Weise ist eine hochempfindliche Messung möglich, die mit einer Genauigkeit von unter 0,1 Bogensekunden möglich ist.

Zweckmäßigerweise wird die linear polarisierte Strahlung mit einem zweiten Polarisator generiert, dessen Polarisations­ achse senkrecht zur Polarisationsachse des Polarisators des linear bewegten Körpers eingestellt wird.

Das erfindungsgemäß gebildete Meßsignal kann zur Regelung des Rollwinkels verwendet werden, um etwaige Abweichungen zu korrigieren. Die Durchführung der Messung ohne eine Regelung kann zur Kalibrierung einer Verschiebeeinrichtung zweckmäßig sein.

Ausgehend von der oben erwähnten Problemstellung ist eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gekennzeichnet durch eine parallel zur Verschieberichtung strahlende Strah­ lenquelle zur Generierung einer linear polarisierten Strah­ lung, einen Modulator zur hochfrequenten symmetrischen Modu­ lation der Drehposition der Polarisationsachse mit einer Modulationsfrequenz f in beiden Drehrichtungen, einen mit dem linear bewegten Körper verbundenen Polarisator im Strah­ lengang der von der Strahlenquelle ausgesandten Strahlung, dessen Polarisationsachse bei ausgeschaltetem Modulator senkrecht zur Polarisationsachse der linear polarisierten Strahlung steht, einen hinter dem Polarisator angeordneten Strahlungsdetektor und eine Auswertungseinrichtung für einen Anteil des detektierten Signals, der die Frequenz f auf­ weist.

Als Auswertungseinrichtung eignet sich insbesondere ein Lock-in-Verstärker, dem das Modulationssignal des Modulators mit der Frequenz f zuführbar ist.

Die Erfindung soll im folgenden anhand eines in der Zeich­ nung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert wer­ den. Es zeigen:

Fig. 1 - eine schematische Darstellung einer Ober­ flächen-Meßeinrichtung, bei der die Ober­ fläche mittels eines von einem Pentagonprisma umgelenkten Lichtstrahls abgetastet wird und die Verschiebung des Pentagonprismas bezüg­ lich der Raumwinkel geregelt wird.

Fig. 2 - eine schematische Darstellung der verwendeten Detektionsanordnung für den Rollwinkel

Fig. 3 - mehrere übereinandergeschriebene Meßkurven für die mit der Anordnung gemäß Fig. 1 auf­ genommenen Topografie der abgetasteten Ober­ fläche zur Verdeutlichung der Reproduzierbar­ keit der Messung.

Fig. 1 zeigt schematisch ein Pentagonprisma 1, das über eine Stange 2 starr mit einem Verschiebetisch 3 verbunden ist, der auf einer Führung 4 in die durch einen Doppelpfeil 5 charakterisierte Verschieberichtung linear verschiebbar ist. Die Verschiebung des Verschiebetisches 3 - und damit des Pentagonprismas 1 - kann Winkelfehlern in allen drei Raumrichtungen unterliegen. Eine Drehung um eine parallel zur Verschieberichtung (Doppelpfeil 5) liegende Achse 6 wird als Rollwinkel 7, eine Drehung um die Achse der horizontalen Stange 2 als Nickwinkel 8 und eine Drehung um eine senkrecht zu den beiden Achsen 6, 2 stehende Achse 9 als Gierwinkel 10 bezeichnet.

Auf das Pentagonprisma 1 gelangt ein Meßstrahlengang 11 eines Autokollimationsfernrohres 12. Der Meßstrahlengang 11 wird durch Pentagonprisma 1 im Ergebnis um 90° nach unten als Abtaststrahl 13 auf eine abzutastende Oberfläche 14 ge­ lenkt. Die abzutastende Oberfläche 14 ist Teil eines Meßkör­ pers 15, der auf einem Verschiebetisch 16 gelagert ist. Der Verschiebetisch ist parallel zur Ebene des Verschiebetisches 3, jedoch senkrecht zu seiner Verschieberichtung (Doppel­ pfeil 5) verschiebbar, wodurch die gesamte Oberfläche 14 abtastbar ist, wie dies schematisch in Fig. 1 durch einen Abtastweg 17 angedeutet ist.

Zur Regelung des Nickwinkels 8 und des Gierwinkels 10 ist ein Regel-Autokollimationsfernrohr 18 vorgesehen, das eine 4-Quadranten-Auswertung ermöglicht und so Abweichungen der beiden genannten Winkel 8, 10 durch Ausrichten des Strahles auf eine reflektierende Fläche des Pentagonprismas 1 ermög­ licht. Mit dem Ausgangssignal des Regel-Autokollimations­ fernrohres 18 werden zwei Piezokristalle P2, P3 zur Nachfüh­ rung der beiden Winkel 8, 10 angesteuert.

Für eine entsprechende Regelung des Rollwinkels 7 ist eine durch einen Laser gebildete Strahlungsquelle 19 parallel zur Verschieberichtung (Doppelpfeil 5) ausgerichtet und erzeugt einen linear polarisierten Lichtstrahl 20, der einen die Polarisationsachse drehenden Faraday-Modulator 21 durchläuft und auf einen Polarisator 22 gelangt, der fest mit dem Pen­ tagonprisma 1 verbunden ist. Im Strahlengang hinter dem Pen­ tagonprisma 22 befindet sich ein Detektor 23, dessen Aus­ gangssignal einen für die Einstellung des Rollwinkels vor­ gesehenen Piezokristall P1 steuert.

Die Meßanordnung für die Ermittlung einer Änderung des Roll­ winkels 7 ist in Fig. 2 schematisch angegeben. Vor dem Laser 19 befindet sich ein zweiter Polarisator 24, dessen Polarisationsachse 24' senkrecht zur Polarisationsachse 22' des ersten Polarisators 22 steht, der mit dem Pentagonprisma 1 verbunden ist. Zwischen den beiden Polarisatoren 22, 24 befindet sich ein Faraday-Modulator 25, der die Polari­ sationsachse des von dem Polarisator 24 linear polarisierten Lichts dreht, und zwar mit einer sinusförmigen Welle der Frequenz f symmetrisch zu beiden Seiten. Ein Lichtsensor 26 hinter dem ersten Polarisator 22 empfängt das vom zweiten Polarisator 22 durchgelassene Licht und erzeugt ein ent­ sprechendes elektrisches Signal, das auf einen Eingang eines Lock-in-Verstärkers 27 gelangt, dessen anderer Eingang mit dem Modulationssignal der Frequenz f des Faraday-Modulators 25 zugeführt wird. Demgemäß verstärkt der Lock-in-Verstärker 27 nur Signalanteile des Sensors 26 mit der Frequenz f. Das daraus gebildete Ausgangssignal stellt ein Maß für den Roll­ winkel bzw. die Änderung des Rollwinkels dar.

Fig. 2 läßt erkennen, daß bei ausgeschaltetem Faraday-Modu­ lator 25 kein Licht auf den Sensor 26 gelangen kann, wenn sich das Pentagonprisma 1 in seiner Sollstellung befindet. In dieser Position sorgt der Faraday-Modulator 25 für eine symmetrische Drehung der Polarisationsachse 24 mit einer Sinuskurve in beiden Richtungen. Für beide Halbwellen der Sinuskurve läßt der erste Polarisator 22 einen impulsförmi­ gen Lichtanteil durch, so daß der Sensor 26 Lichtimpulse mit einer Frequenz 2f empfängt. Sind die Lichtimpulse der beiden Halbwellen des Modulationssignals des Faraday-Modulators 25 gleich groß, weil sich das Pentagonprisma 1 in seiner Soll­ position befindet, steht am Ausgang des Lock-in-Verstärkers 27 ein Nullsignal an, da im Ausgangssignal des Sensors 26 kein Signalanteil mit der Frequenz f enthalten ist. Verän­ dert sich jedoch der Rollwinkel 7 des Polarisationsprismas 1, werden die vom Polarisator 22 durchgelassenen Lichtim­ pulse für die beiden Halbwellen unsymmetrisch, also un­ gleich. Die ungleichen Signale wiederholen sich mit der Fre­ quenz f, so daß das Ausgangssignal des Sensors 26 nunmehr einen Signalanteil mit der Frequenz f enthält, der um so größer ist, je größer die Abweichung des Rollwinkels des Pentagonprismas 1 während der linearen Verschiebung des Pen­ tagonprismas 1 durch den Verschiebetisch 3 ist.

Auf diese Weise ist jede Änderung des Rollwinkels mit einer Genauigkeit von weniger als 1/10 Winkelsekunde feststellbar und über den Piezokristall P1 ausregelbar.

Hieraus ergibt sich die in Fig. 3 dargestellte hohe Repro­ duzierbarkeit der Topografiemessung. Die Abweichungen zwischen den Kurven liegen deutlich unter 1 nm, so daß eine Genauigkeit der Oberflächenmessung im nm-Bereich erzielt wird.

Claims (9)

1. Verfahren zur hochpräzisen Messung der Änderung des Roll­ winkels (7) während einer linearen Bewegung eines Körpers (1) parallel zur Achse (6) des Rollwinkels (7), dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (1) mit einem linearen Pola­ risator (22) versehen wird, daß linear polarisierte Strah­ lung so eingestellt wird, daß sie vom Polarisator (22) in seiner Sollposition nicht durchgelassen wird, daß die Pola­ risationsachse (24') der polarisierten Strahlung vor dem Auftreffen auf den Polarisator (22) mit einer Frequenz (f) symmetrisch in beide Richtungen hin- und hergedreht wird und daß der vom Polarisator (22) durchgelassene Anteil der Strahlung mit der Frequenz (f) detektiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung der linear polarisierten Strahlung ein zweiter Polarisator (24) verwendet wird, dessen Polarisationsachse (24') senkrecht zur Polarisationsachse (22') des Polarisa­ tors (22) des linear bewegten Körpers (1) eingestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das vom Detektor (23) detektierte, eine Änderung des Rollwinkels (8) repräsentierende Signal zur Regelung des Rollwinkels (8) während der linearen Bewegung des Körpers (1) verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch die Verwendung für eine lineare Verschiebung eines Pentagonprismas (1) oberhalb einer zu vermessenden Ober­ fläche (14).

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine parallel zur Verschieberichtung (5) strahlende Strahlenquelle (19) zur Generierung einer linear polarisierten Strahlung, einen Modulator (21) zur symmetrischen Modulation der Drehposi­ tion der Polarisationsachse mit einer Modulationsfrequenz (f) in beiden Drehrichtungen, einen mit dem linear beweg­ baren Körper (1) verbundenen Polarisator (22) im Strahlen­ gang der von der Strahlenquelle (19) ausgesandten Strah­ lung, dessen Polarisationsachse (22') bei ausgeschaltetem Modulator (21) senkrecht zur Polarisationsachse (24') der linear polarisierten Strahlung steht, einen hinter dem Po­ larisator (22) angeordneten Strahlungssensor (26) und eine Auswertungseinrichtung (27) für einen Anteil des sensierten Signals, der die Frequenz (f) aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlenquelle (19) mit einem Polarisator (24) versehen ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlenquelle eine Laserquelle (19) ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Sensors (26) auf einen Log-in-Verstärker (27) gelangt, dem ferner das Modu­ lationssignal des Modulators (25) zuführbar ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, gekennzeich­ net durch einen Faraday-Modulator als Modulator (25).