DE2119486C3 - Elektro-optische Lagekorrekturanordnung für ein optisches MeBsystem - Google Patents

Elektro-optische Lagekorrekturanordnung für ein optisches MeBsystem

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DE2119486C3 DE2119486A DE2119486A DE2119486C3 DE 2119486 C3 DE2119486 C3 DE 2119486C3 DE 2119486 A DE2119486 A DE 2119486A DE 2119486 A DE2119486 A DE 2119486A DE 2119486 C3 DE2119486 C3 DE 2119486C3
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektro-optische Lagekorrekturanordnung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art
Die optischen Meßsysteme, bei denen die Lagekorrekturanordnung nach der Erfindung anwendbar ist, dienen insbesondere dazu, translatorische Verschiebungen beweglicher Teile gegenüber einem feststehenden Gestell mit großer Präzision zu messen. Die Meßsysteme können ausschließlich für Meßzwecke verwendet werden, oder sie können in Verbindung mit Einstell- und Regelvorrichtungen für die sehr genaue Einstellung von Teilen auf Maschinen (Präzisions-Werkzeugmaschinen, Maschinen zur Fertigung von Masken für integrierte Schaltungen usw.) dienen.
Es sind bereits zahlreiche Meß- und/oder Einstellsysteme bekannt, bei denen ein beweglicher Schlitten auf einem Gestell verschoben wird, das entweder die Meßbank oder das Maschinengestell bildet, wobei die genaue Messung der Verschiebungen in jeder Translationsrichtung in allgemein bekannter Weise durch interferometrische Verfahren erfolgt, die vorzugsweise mit kohärentem Licht arbeiten, beispielsweise dem Licht einer Laser-Quelle. Es sind bereits Verbesserungen aller Arten bei solchen Systemen vorgenommen worden, und zwar sowohl hinsichtlich des optischen Teils, der für die eigentliche Messung dient, als auch für den mechanischen Teil, der für die Verstellung verwendet wird. Dennoch weisen die bisher vorbände· nen Systeme einen schwerwiegenden Mangel auf, der auf dem »Schlingern« des beweglichen Schlittens beruht, d. h. auf Störbewegungen des Schlittens in allen möglichen Richtungen außer der betreffenden Translatiönsfiehtung, wodurch entsprechende Fehler verursacht werden. Es sind bereits Korrekturvorrichtungen für diese Fehler ausgeführt worden; sie sind im allgemeinen kompliziert, unzureichend wirksam und führen zu einer beträchtlichen Erhöhung des Gewichts und des Umfangs der damit ausgestatteten Meßbank oder Maschine und zwar umso mehr, je größer die
Strecken sind, ober welche die Translationsbewegungen erfolgen müssen.
Aus der CA-PS 6 50 557 ist es bekannt, einen entlang einer Translationsachse verstellbaren Schlitten mit Hilfe einer von dem Schlitten getragenen optischen Vorrichtung einem parallel z« der Translationsachse ausgesendeten Lichtbündel derart nachzuregeln, daß er eine durch das üchtbündel vorgeschriebene Höhenlage beibehält Der »Schlitten« ist in diesem Fall das Fahrgestell einer Gleisbaumaschine, und das »Gestell« ist das Gleis; die Lösung besteht darin, die Höhenlage des »GesteUs« derart zu verändern, daß der Schlitten dem Lichtbündel nachgeführt wird. Dieses Prinzip kann aus mehreren Gründen nicht auf optische Meßsysteme der zuvor erläuterten Art übertragen werden; einerseits ist die Höhenlage der Parallelbank unveränderlich, und andererseits handelt es sich bei der bekannten Lagekorrektur um einen einmaligen Vorgang, der nicht zur Korrektur sporadisch auftretender Störbewegungen des Schlittens bei wiederholtem Oberfahren der Parallelbank geeignet ist
Aus der FR-PS 15 83 414 ist andererseits bekannt, die Lagekorrektur von Teilen mit Hilfe von elektromechanischen Wandlern, insbesondere Stapeln aus piezoelektrischen Keramikteilen, vorzunehmen, welche die Stellglieder von Regelkreisen bilden, deren Regelgrößen durch optische Meßeinrichtungen geliefert werden. Die einzustellenden Teile sind parallel zu einer feststehenden Bezugsebene verschiebbar und verdrehbar; die optischen Meßeinrichtungen sind so ausgebildet, daß sie Abweichungen von der vorgeschriebenen Lage der Teile in dieser Ebene feststellen, und die elektromechanischen Wandler sind so angeordnet, daß sie eine Lagekorrektur in der gleichen Ebene vornehmen. Beispielsweise sind die optischen Meßeinrichtungen Interferometer, die mit Lichtbündeln arbeiten, die an den Seitenflächen eines das einzustellende Teil tragenden Bezugsblocks reflektiert werden.
Die Anwendung dieses bekannten Prinzips bei optischen Meßsystemen der eingangs erläuterten Art würde einen erheblichen Aufwand erfordern und dennoch keine brauchbare Lösung des bestehenden Problems ergeben. Der Aufwand wäre groß, weil zusätzlich zu dem vorhandenen Strahlungsbündel des optischen Meßsystems die für die Interferometer des Lagekorrektursystems erforderlichen Strahlungsbündel erzeugt werden müßten, was bei eiiv.m längs einer Parallelbank verschiebbaren Schlitten schwierig wäre. Vor allem aber spricht die bekannte Lagekorrekturanordnung nur auf Lageabweichungen parallel zu der Bezugsebene an, die dagegen auf Komponenten, die senkrecht zur Bezugsebene gerichtet sind. Gerade solche senkrechten Komponenten der Störbewegungen des Schlittens, die zur Folge haben, daß dieSchlittenebene nicht mehr parallel zu der Ebene der Parallelbank liegt, sind aber die Hauptursache für die auftretenden Meßfehler.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer elektrooptischen Lagekorrekturanordnung für ein optisches Meßsystem der zuvor beschriebenen Art, die bei besonders einfachem Aufbau die Vermeidung der durch Schlingerbewegungen des Schlittens verursachten Meßfehler ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.
Bei der Lagekorrekturanordnung nach der Erfindung wird das bereits vorhandene Strahlungsbündel des optischen Meßsystems zusätzlich zu einer Lagekorrektur ausgenutzt. Die Lagekorrektur wird nicht am Schlitten selbst vorgenommen, sondern an einer Platine, deren Abstand vom Schlitten mittels der elektromechanischen Wandler verändert werden kann und die r< ihrerseits die optische Vorrichtung trägt Durch das Zusammenwirken der Teilbündel mit den photoelektrischen Wandlern und den von diesen beeinflußten elektromechanischen Wandlern werden insbesondere Kippbewegungen der Platine um eine senkrecht zur
ι» Translationsachse liegende Achse korrigiert; solche Kippbewegungen sind die Hauptursache für Meßfehler. Ausgestaltungen der Erfindung, die in Unteransprüchen angegeben sind, ermöglichen zusätzlich die Korrektur von Kippbewegungen um eine parallel zur
i' Translationsachse liegende Achse sowie die Anwendung des gleichen Prinzips bei optischen Meßsystemen mit in zwei Koordinatenrichtungen verschiebbaren Schlitten.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung beispielshalber beschrieben. Darin zeigt
F i g. 1 eine sehr schematische Oberansicht der wesentlichen Bestandteile eines optiscLü-n Meßsystems mit einer Lagekorrekturanordnung nach de»' Erfindung, F i g. 2 eine Seitenansicht des optischen Meßsystems von F i g. 1 und
Fig.3 eine sehr schematische Oberansicht eines optischen Meßsystems, bei welchem das Prinzip der Lagekorrekturanordnung von F i g. 1 und 2 auf Translationsbewegungen in zwei zueinander senkrechten
)o Richtungen angewendet wird.
F i g. 1 und 2 zeigen schematisch die Bestandteile eines optischen Meßsystems, soweit diese zum Verständnis der nachstehend beschriebenen Lagekorrekturanordnung notwendig sind. Die gesamte Ausbildung
) > eines solchen Meßsystems ist so allgemein bekannt, daß hier nicht näher darauf eingegangen zu werden braucht Das Gestell 1 einer Parailelbank trägt eine optische
Meßanordnung, die im dargestellten Fall aus einem Michelson-Interferometer mit zwei reflektierenden Organen, beispielsweise zwei Prismen 2 und 3, und einer halbreflektierenden Platte 4 besteht, die von einem Strahlungsenergiebündel Fangestrahlt werden, das von einer Laserquelle L abgestrahlt wird. Ein optoelektrischer Detektor 5 wandelt die erhaltenen Interferenzstreifen in elektrische Signale S um. Während das Prisma 2 am Gestell 1 befestigt und damit feststehend ist, sind das Prisma 3 sowie die halbdurchlässige Platte 4 und der Detektor 5 mechanisch an einem Schlitten 6 befestigt der auf dem Gestell 1 in einer Translations* richtung D beweglich ist, die parallel zu der Richtung des Bündels Fliegt Der Schlitten 6 ist auf dem Gestell 1 mit Hilfe irgendeiner geeigneten bekannten Vorrichtung verstellbar, beispielsweise mit Hilfe von nicht dargestellten Gleitführungen. Die Verstellungen D dieses Sohiittens äußern sich in einem Vorbeilaufen der Interferenzstreifen vor dem Detektor 5 und in einer praktisch sinusförmigen Änderung der abgegebenen Signale. Mit Hilfe von an sich bekannten Interferenzstreifen-Zählvorrichtungen ist es möglich, die einer
ho Verschiebung D entsprechende Anzahl von Interferenz-Streifen und Bruchteilen von Interferenzstreifen zu zählen und demzufolge einen quantisierten Wert der Länge dieser Vorrichtung zu erhalten. Die Größe des Meßquantums und demzufolge die Präzision der
hr) Messung hängen insbesondere von den verwendeten Zähleinrichtungen und dem Grad ihrer Vollkommenheit ab.
Wenn ein solches System beispielsweise für reine
Meßzwecke verwendet wird, enthält es zwei Fühler, von denen der eine dem Gestell und der andere dem Schlitten zugeordnet sind und die mit großer Präzision die Enden eines zu messenden Teils anzeigen können; in diesem Fall wird das Meßergebnis dadurch erhalten, daß die Interferenzstreifen gezählt werden, die vor dem Detektor vorbeilaufen, wenn der Schlitten in der Richtung D von einer Stellung, die der Anzeige eines Nullpunkts der Messung entspricht, in eine Stellung verschoben wird, die der Anzeige der Enden des zu messenden Teils entspricht. Es bestehen verschiedene Anwendungen und verschiedene Auswerteverfahren für solche Systeme. Wenn es sich darum handelt, präzise Einstellungen vorzunehmen, braucht nur das einzustellende Teil an dem beweglichen Schlitten angebracht zu werden. Die nachstehend beschriebenen Verbesserungen sind in beiden Fällen anwendbar und wirksam.
Es ist klar zu erkennen, daß jede Störbewegung des Schlittens 6 in einer Richtung, die von der Translations· rn-iiiuiig D verschieden isi, uciüpieisvvciSc uic »Schlingerbewegung« des Schlittens sowohl die Längenmessungen als auch die Genauigkeit der Einstellungen beeinträchtigt.
Zur Kompensation dieser Fehler wird eine dynamische Korrekturanordnung verwendet, die dem Meßlaserstrahl nachgeregelt ist, dessen Richtung als zeitlich und räumlich sehr konstant angesehen werden kann.
An dem beweglichen Schlitten 6 sind photoelektrische Wandler 7 und 8 befestigt, beispielsweise nach Art von bekannten Ablagemeßzellen. Diese empfangen einen Teil 11 bzw. 12, des Bündels mit Hilfe von teilreflektierenden Platten oder Prismen 9, 10, die am Schlitten 6 so befestigt sind, daß sie im Weg des Bündels F liegen. Bei einem Ausführungsbeispiel weist jede dieser Zellen zwei getrennte Sektoren auf, die entlang der Richtung D in einer Linie liegen; die gestrichelten Linien in Fig. I zeigen schematisch die Trennlinie zwischen diesen beiden Sektoren an.
Wenn der Schlitten 6 die richtige Lage hat, beleuchten die Bündel 11 und 12 die beiden Sektoren in gleicher Weise, so daß die Zellen Fehlersignale des Wertes Null abgeben. Wenn dagegen infolge von Störbewegungen des Schlittens 6 Änderungen beim Auftreffen der Bündel 11 und 12 auf den Zellen 7 bzw. 8 auftreten, geben diese von Null verschiedene Fehlersignale ab, welche für die Störbewegungen kennzeichnend sind.
Der bewegliche Schlitten 6 trägt eine Platine 13, welche die Abstandsmeßzellen, die teilreflektierenden Organe 9 und 10, das bewegliche Prisma 3, die halbreflektierende Platte 4 und den Detektor 5 des Interferometers trägt. Diese Platine 13 ist an dem Schlitten 6 durch Supel 14 und 15 aus piezoelektrischen Keramikteilen befestigt. In der Ruhestellung, d. h. beim Fehlen jeder Störbewegung des Schlittens, liegt die Platine parallel zu dem Schlitten 6. Bei einer Ausführungsform sind zwei Keramikstapel 14 und 15 vorhanden, die jeweils das von einer der Ablagemeßzellen 7 bzw. 8 abgegebene Fehlersignal nach Verstärkung in einem Verstärker 16 bzw. 17 empfangen.
Somit werden die Störbewegungen des Schlittens, welche diesen in der XZ-Ebene und die Y-Achse zu drehen suchen, durch Änderungen der Keramikstapel 14 und 15 automatisch korrigiert, indem die Keramiksta pel die Platine 13 in der ΛΤ-Ebene zu halten suchen, die stets parallel zu der Richtung des Bündels Fliegt.
Um die Güte der Lagekorrektur der Platine 13 noch zu verbessern und sie unabhängig von der Richtung der Störbewegungen des Schlittens 6 parallel zu dem
Bündel Fzu halten, vor allem auch bei Störbewegungen, welche den Schlitten in der V'Z-Ebene um die X-Achse zu drehen suchen, braucht nur das beschriebene Lagekorrektursystem dadurch ergänzt zu werden, daß eine dritte Ablagemeßzelle 18 hinzugefügt wird, die auf der Platine 13 so angeordnet ist, daß sie einen Teil 21 des Bündels Fempfängt, der ihr über eine teilreflektierende Platte 19 und einen Spiegel 20 zugeführt wird. Die Zelle 18 enthält beispielsweise zwei Sektoren, die senkrecht zur Ebene der Platine 13 in einer Linie liegen und deren nicht dargestellte Trennlinie parallel zu der Ebene der Platine liegt. Sie gibt ein Fehlersignal ab, wenn Störbewegungen des Schlittens die Platine 13 in der YZ-Ebene um die X-Achse zu drehen suchen. Um diese Störbewegungen zu korrigieren und die Platine 13 parallel zu dem Bündel Fzu halten, wird dieses Signal nach geeigneter Verstärkung einem dritten Keramikstapel 22 zugeführt, der nicht in einer Linie mit den beiden anderen Stapeln 14 und 15 liegt. In F i g. 2 sind die Zelle
IO A An- C* „I T» ~~~»_;~U„I. An .„II. ...» Iu UIIU ut.1 *J\U\J\.\ Λ*. £\_jti ιτ.ιιι.11 umgvoii.111, um
anzudeuten, daß sie nicht in der von den Bündeln F 11 und 12 gebildeten Ebene und auch nicht in der Ebene der Keramikstapel 14 und 15 liegen. Die gestrichelten Linien von Fig. 2 stellen symbolisch die Träger dar, über welche die verschiedenen Bestandteile 9,10,3,4,5, 18 an der Platine Ij befestigt sind.
Mit einer zusätzlichen Verbesserung, die schematisch in F i g. ι und 2 dargestellt ist, kann die Güte der von den beschriebenen Systemen gelieferten Meßergebnisse dadurch noch weiter verbessert werden, daß eventuelle langsame Richtungsänderungen des als Bezugsrichtung dienenden Bündels korrigiert werden.
Eine Zelle 23, die ebenso wie die Laserquelle L fest mit dem Gestell verbunden ist, liegt am Ende der Meßanordnung im Weg des Bündels F. Sie enthält vorzugsweise vier verschiedene empfindliche Sektoren und stellt die eventuellen Abweichungen des Bündels von seiner Bezugsstellung fest. Das von ihr abgegebene Fehlersignal wird bei 24 einer Korrekturvorrichtung 25 für die Ausrichtung des Bündels zugeführt.
Es ist weiterhin möglich, auch seitliche Abweichungen des Schlittens 6 in bezug auf das Bezugsbündel F dadurch zu korrigieren, daß die an der Platine 13 befestigten Ablagemeßzellen 7,8, 18 mit zwei Sektoren durch Zellen mit vier Sektoren ersetzt werden und die Verbindungen zwischen dem Schlitten 6 und der Platine 13 durch piezoelektrische Keramikstapel ergänzt werden, deren Wirkungslinie in einer XY-Ebene liegt.
Wie bereits zuvor erwähnt wurde, eignen sich die beschriebenen Meßsysteme für die Durchführung von sehr genauen Lageeinstellungen. Sie können auf sehr einfache Weise auch bei Anordnungen angewtiidet werden, welche Einstellungen in zwei zueinander senkrechten Achsen X und Y ermöglichen, in denen sie in der beschriebenen Weise stabilisiert sind Eine Anordnung dieser Art enthält beispielsweise, wie schematisch in F i g. 3 dargestellt ist, einen Schlitten 6X, der auf dem Gestell 1 in Richtung der X-Achse beweglich ist, und einen Schlitten 6 Y, der auf dem Schlitten 6Xin Richtung der Y-Achse beweglich ist. Das Meßbündel F beleuchtet zwei Interferometersysteme der in F i g. 1 dargestellten Art und dient als Bezugsrichtung für die Lagekorrekturanordnungen, mit denen es in der beschriebenen Weise möglich ist, zwei Platinen i3X und 13 Y, von denen die eine auf dem Schlitten SX und die andere auf dem Schlitten 6 Y befestigt sind, mit Hilfe von piezoelektrischen Keramik stapeln horizontal zu stabilisieren. Die Lagekorrektur-
systeme empfangen jeweils einen Bruchteil des Bündels Füber teilreflektierende Organe 9X, lOXbzw. 9 Y, 10 Y. Es ist zu bemerken, daß die Verstellungen in den beiden Achsric/itungen gleichzeitig erfolgen können, und daß eine solche Anordnung für beträchtlich große Verstellungen anwendbar ist, die mehrere Meter betragen können. Sie sind insbesondere für die
A'K-Maskentische für Mikroschaltungen geeignet, die einen Bewegungshub von 20 cm oder mehr haben. Das beschriebene System kann auch auf Verstellungen in drei zueinander senkrechten Richtungen erweitert werden und dann zur Messung der Verstellungen der drei ΛΎΖ-Bewegungen von Richtniaschinen großer Kapazität dienen.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

  1. Patentansprüche;
    1. Elektro-optische Lagekorrekturanordnung fflr ein optisches Meßsystem mit einem Schlitten, 4er auf einer Parallelbank entlang einer Translationsachse verschiebbar ist, einer Einrichtung zur Aussendung eines Strahlungsenergiebündels parallel zu der Translationsachse, mit einer vom Schlitten getragenen, auf die Strahlungsenergie des Bündels ansprechenden optischen Vorrichtung, und mit einer Einrichtung zur Einstellung der Lage der vpm Schlitten getragenen optischen Vorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Schlitten (6) eine die optische Vorrichtung (3, 4, 5) tragende Platine (13) parallel zu dem Schlitten (6) angeordnet ist, daß die Platine (13) teilreflektierende Flächen (9,10) trägt, die derart im Weg des Bündels (F) liegen, daß sie zwei senkrecht zu dem Bündel (F) gerichtete Teilbündel (11,12) erzeugen, die in einer die Translationsachse ^f-Achse) enthaltende Ebene (ΛΖ-Ebene) liegen, daß auf der Platine (13) photoelektrische Wandler (7, 8) derart angeordnet sind, daß sie jeweils eines der Teilbündel (11, 12) empfangen, daß jeder photoelektrische Wandler (7, 8) so ausgebildet ist, daß er ein von der Ablage des auf treffenden Bündels (11 bzw. 12) abhängiges Fehlersignal erzeugt, und daß zwischen der Platine (13) und dem Schlitten (6) wenigstens zwei in der Richtung der Translationsachse fX-Achse) im Abstand voneinander liegende elektromechanische Wandler (14, 15) angeordnet sind, die jeweils in einem im Sinne-einer Beseitigung des Fehlersignals wirkenden Regelkreis (7-16-14; 8-17-13) mit einem der photoelektrischen Wandler \J, 8) verbunden sind.
    2. Lagekorrekturanordnung na- Ti Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder photoelektrische Wandler (J, 8) zwei nebeneinanderliegende lichtempfindliche Sektoren aufweist, deren Trennlinie senkrecht zu der die Teilbündel (11,12) enthaltenden Ebene (.XZ-Ebene) steht
    3. Lagekorrekturanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Strahlenteiler (19, 20) vorgesehen ist, der ein zweites Strahlungsenergiebündel (21) parallel zu dem ersten Bündel (F) erzeugt, daß mit der Platine (13) ein weiterer photoelektrischer Wandler (18) fest verbunden ist, der im Wert des zweiten Bündels (21) liegt und ein von der Ablage des zweiten Bündels (21) abhängiges Fehlersignal erzeugt, und daß zwischen der Platine (13) und dem Schlitten (6) ein weiterer elektromechanischer Wandler (22) außerhalb der Verbindungslinie der ersten elektromechanischen Wandler (14,15) angeordnet und in einem im Sinne einer Beseitigung des Fehlersignais wirkenden Regelkreis mit dem weiteren photoelektrischen Wandler (18) verbunden ist.
    4. Lagekorrekturanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die das Strahlungsenergiebündel aussende Einrichtung eine Laserquelle (Lj ist.
    5. Lagekorrekturanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der elektromechanischen Wandler (14,15,22) durch einen Stapel von piezoelektrischen Keramikteilen gebildet ist.
    6. Lagekorrekturanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzsich-
    net, daß en den beiden Enden der Bank (1) optische Einrichtungen (23, 24,25) angeordnet sind, die das Bündel (F)$q ausrichten, daß es zentrisch zu zwei an diesen Enden liegenden Bezugspunkten bleibt,
    7, Lagekorrekturanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine von der Platine (13) getragene optische Einrichtung (3,4,5) ein Teil eines Michelson-Interferometers ist, dessen anderer Teil mit der Bank verbunden ist und zur Messung der Verschiel ung des Schlittens (6) relativ zu der Bank (1) dient
    8. Lagekorrekturanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Schütten (6X) eine Gleitbank für einen zweiten Schlitten (S Y) bildet, dessen Verstellrichtung in einem Winkel zu der Translationsachse (X-Kchst) steht, daß eine mit der Platine (13A^ des ersten Scblittens (6X) verbundene teilreflektierende Platte das Bündel (F) empfängt und ein weiteres Strahlungsenergiebündel in einer Richtung erzeugt, die parallel zu der Verstellrichtung des zweiten Schlittens (6Y) liegt, und daß der zweite Schlitten (6Y) eine zweite Platine (13Y) trägt, die mit Lagekorrektureinrichtungen versehen ist, die denjenigen der ersten Platine (13Xj gleich sind.
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