DE2720307C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der Abweichung von einer nominal geradlinigen Bewegung.

Derartige Messungen spielen in der gesamten Technik eine bedeutende Rolle, beispielsweise bei der Bestimmung von Querabweichungen eines auf geradliniger Führung bewegten Schlittens. Zum Messen dieser Abweichung, beispielsweise auf dem Gebiet des Maschinenbaues, ist ein erheblicher Aufwand erforderlich, der umso größer ist, je höher die Anforderungen an die Genauigkeit der Geradheit sind. Zwei Beispiele dienen zum Aufzeigen des Einsatzbereiches. Die Herstellung von höchst genauen Kalanderwalzen für Folien- und Papierherstellung erfordert Rundheiten und Geradheiten der Mantellinie im µm-Bereich bei Durch­ messern von 1 bis 4 Metern und Längen von 2 bis 6 Metern. Eine noch heute verwendete Vorrichtung zum Messen be­ steht im Aufspannen einer Stahlsaite als Geradheits­ normal und dem Anordnen eines Mikroskops zum Ablesen des Abstandes der Saite von der Walze. Das Mikroskop wird auf der Maschinenhalterung geführt.

Bei der Halbleiterherstellung müssen auf engsten Raum X-Y-Tische hochpräzise bewegt und positioniert werden. Die Geradheit der Achsabläufe muß bei der Mikrofertigung laufend sichergestellt werden.

Es sich auch interferometrische Vorrichtungen und Ver­ fahren zum Messen der Querabweichungen von einer Geraden bekannt. Hierzu werden jedoch sehr teure und stabilisierte Zweifrequenzlaser benötigt. Außerdem haben diese Vorrich­ tungen den Nachteil, daß sie nur relative Meßwerte lie­ fern.

Aus der DE-OS 25 28 209 ist auch bereits bekannt, zum Ab­ tasten von Oberflächenprofilen einen Abstandsfühler senkrecht zu der Meßrichtung an der Oberfläche vorüber­ zuführen, wobei der Abstandsfühler als Weißlicht-Zwei­ strahlinterferometer ausgebildet ist, dessen optische Wegelängendifferenz zwischen Objekt- und Referenzteil­ strahl um mehr als die Kohärenzlänge des verwendeten Lichts gewobbelt wird, so daß im Bild des Meßfeldes Interferenzerscheinungen periodisch nur dann auftreten, wenn die optische Weglänge des Referenzteilstrahles etwa mit der des Objektteilstrahles übereinstimmt.

Weiterhin ist aus der US 31 46 350 bekannt, lineare Dimen­ sionen, beispielsweise den Durchmesser einer Bohrung, mittels Abtastvorganges mit geeigneter Lichtstrah­ lung so zu bestimmen, daß bei vorbestimmter Abtastge­ schwindigkeit der Abtastvorgang mit gepulstem Licht vor­ genommen wird, wobei die Zahl der Lichtimpulse, die wäh­ rend des Überstreichens der Bohrung diese durchsetzen, ein Maß für deren Durchmesser liefern.

Weitere bekannte Vorrichtungen benutzen Autokollimations- bzw. Nivellierverfahren. Sie haben aber den Nachteil, daß sie die Geradheit aus Winkeländerungen ableiten, wofür die Meßführung zuvor sehr genau ausgerichtet werden muß.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zu ent­ wickeln, mit der die genannten Nachteile vermieden werden und die insbesondere bei geringen Herstellungskosten eine hohe Meßwertauflösung mit absoluter Meßwertanzeige ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Bei der Vorrichtung nach der Erfindung wird anstelle der üblichen Lagemessung eine Differenzmessung verwendet. Somit wird die Geradheitsmessung mit dem Fluchtungs- Laser aus dem Bereich der photometrischen Lagebestimmung (Genauigkeit 4 bis 7 µm) in den Bereich der Differenz- Messung geführt.

Wesentlicher Bestandteil der Erfindung ist die Zuordnung des zu bestimmenden Querversatzes eines Laserstrahls zu einer absolut meßbaren Differenzgröße, also nicht zu einer relativen Größe wie beispielsweise Interferenz­ streifen.

Die Vorrichtung nach der Erfindung hat außerdem den Vor­ teil, daß sie inkremental arbeitet und sowohl eine digitale Anzeige als auch eine analoge Registrierung auf Schrei­ bern ermöglicht. Eine weitere Erhöhung des Auflösungs­ vermögens und der Genauigkeit wird da­ durch erreicht, daß der gegenseitige geometrische Abstand der beiden Teilstrahlen am Ausgang des einachsigen In­ versions-Zweistrahl-Interferometers als Zeitdifferenz mit Hilfe einer durch bewegte Spiegel erzeugten gleichförmigen Relativbewegung zwischen einem Empfänger und den beiden Teilstrahlen gemessen wird.

Ein besonders kostengünstiges, elektrooptisches Gerad­ heits-Meßgerät weist einen Dreh­ spiegel oder ein Siegelgalvanometer zum Erzeugen der Relativbewegung auf.

Nach eine vorteilhaften Ausführungsform wird zum Er­ zielen eines kompakten Aufbaus das einachsige Inversions­ interferometer als Ganzglas-Interferometer mit einem gekitteten Strahlenteilerspiegel versehen.

Die Vorrichtung kann auch zum Messen der Geradheit in zwei zueinander senkrechten Richtungen (X- und Y-Richtung) verwendet werden. Hierzu werden zwei einachsige Inversions-Interferometer senkrecht zu­ einander in Reihe geschaltet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Figur erläutert.

Es ist eine Spiegelanordnung dargestellt. Der vorzugsweise aus einem (nicht dargestellten) He-Ne-Laser stammende nicht aufgeweitete Strahl 1 trifft auf den Strahlteiler 2 und wird von diesem in die Teilstrahlen 1′ und 1′′ getrennt. Die Teilstrahlen 1′ und 1′′ werden von Spiegeln 3 und 4 einerseits und 5 andererseits reflek­ tiert. Der Laserstrahl 1 wird von einem Winkelspiegel­ prisma 6 reflektiert. Bewegt sich der Strahl 1 aufgrund eines Querversatzes S des Winkelspiegelprismas 6 um 2S parallel zu sich selbst, so rücken die beiden Teil­ strahlen 1′ und 1′′ um den Betrag 4S auseinander bzw. zu­ sammen. Strahl und Teilstrahl verlaufen parallel zur ur­ sprünglichen Richtung, wie in der Figur durch die ge­ strichelte Linie dargestellt. Der Erfindungsgedanke be­ steht im Messen der Änderung des gegenseitigen Abstandes der beiden Teilstrahlen 1′ und 1′′, wobei bei einem Versatz S des Winkelspiegelprismas 6 die Abstandsänderung zweier Teilstrahlen um 4S entspricht. Die Spiegelanordnung funktioniert nicht mehr als Interferometer, sondern als Strahlverdoppler.

Zum Messen des seit­ lichen Abstandes zwischen den Strahlen werden die Strahlen 1′ und 1′′ über einen Dreh­ spiegel 7 abgelenkt und gelangen so zeitlich nacheinander auf einen Differen­ tial-Photodetektor 8. Dieser erzeugt beim Durchgang des ersten Teilstrahles 1′ ein Signal, das einen elektro­ nischen Zähler startet, und beim Durchgang des zweiten Teilstrahles 1′′ ein weiteres Signal, das den Zähler stoppt.

Das Meßprinzip be­ steht in der Umwandlung einer Winkel- bzw. Lagedifferenz in eine Zeitdifferenz. Die Genauigkeit der Vorrichtung be­ ruht somit hauptsächlich auf der Gleichförmigkeit der Drehung bzw. Ablenkung des Spiegels 7. Diese ist bei der Verwendung von kollektorlosen Synchronmotoren aus­ reichend gewährleistet. Etwas aufwendigere Gleichstrom­ motoren mit Tachogenerator und Regelung sind ebenfalls geeignet.

Besonders vorteilhaft ist, daß vom querversetzten Strahl nur kleinste Flächenelemente der Spiegel benutzt werden, womit eine durch die Spiegel bedingte Ungenauigkeit prak­ tisch ausscheidet.

An den Gleichlauf des Scan-Motors sind extreme Anforde­ rungen zu stellen. Die beste Prüfung auf Gleichlauf lie­ fert die Meßanordnung selbst: bei nicht bewegtem Laser­ strahl muß der Zähler bei jedem Durchgang die gleiche Zahl anzeigen. Auch eine Unwucht des Motors kann zu einem Störsignal führen. Andere Strahlablenker, wie Spiegel- Galvanometer oder Piezo-Ablenker, können gleichfalls ver­ wendet werden, sind aber bei weitem nicht so kosten­ günstig wie geeignete Motoren.

Erste Versuche haben reproduzierbar und linear verteilt eine Aufteilung eines Millimeters Querversatz in 4 × 10⁵ bits auf dem Zähler ergeben.

Wichtige Anwendungsgebiete für die Vorrichtung nach der Erfindung sind die Überprüfung von Kalanderwalzen zur Folien- und Papierherstellung sowie die Positionierung von X-Y-Tischen bei der Halbleiter-Herstellung.

Claims (4)

1. Vorrichtung zum Messen der Abweichung von einer nominal geradlinigen Bewegung mit einem als Geradlinig­ keitsnormal dienenden Laserstrahl (1) und einem auf dem bewegten Teil angeordneten retroreflektierenden Winkel­ spiegelprisma (6), das den zum Messen der Abweichung dienenden Laserstrahl (1) reflektiert, gekennzeichnet durch

• - einen Strahlteiler (2), der den retroreflektierten Laserstrahl (1) in zwei Teilstrahlen (1′, 1′′) teilt,
• - eine Spiegelanordnung (3, 4, 5), die so angeordnet ist, daß die Anzahl der Reflexionen der beiden Teilstrahlen (1′, 1′′) ungerade ist, die Teilstrahlen (1′, 1′′) auf den Strahlteiler (2) zurückreflektiert werden und die aus dem Strahlteiler (2) austretenden Teilstrahlen (1′, 1′′) einen gegenseitigen Versatz zeigen, der das Doppel­ te desjenigen Versatzes beträgt, den der einfallende Strahl (1) bei der Retroreflexion am Winkelspiegel­ prisma (6) aufgrund des Querversatzes des Winkelspiegel­ prisma (6) erfahren hatte,
• - einen eine Drehbewegung ausführenden Spiegel (7), der die Teilstrahlen (1′, 1′′) zeitlich nacheinander auf einen Differential-Photodetektor (8) lenkt, und
• - Messung der dem Querversatz des Winkelspiegelprismas (6) entsprechenden Zeitdifferenz zwischen den beiden Teilstrahlen (1′, 1′′).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese einen Zähler aufweist, der mit dem Differential- Photodetektor (8) verbunden ist, beim Eintreffen des beim Durchgang des ersten Teilstrahls (1′) gelieferten Signals zu zählen beginnt und beim Eintreffen des beim Durchgang des zweiten Teilstrahls (1′′) gelieferten Signals den Zählvorgang beendet, wobei der Zählbetrag dem Querversatz des Winkelspiegelprismas (6) entspricht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der die Drehbewegung ausführende Spiegel (7) ein Drehspiegel ist, der von einem elektrischen Mo­ tor hoher Gleichlaufgenauigkeit motorisch angetrieben ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der die Drehbewegung ausführende Spiegel (7) Teil eines Spiegelgalvanometers ist.