DE602004004916T2 - Optische freiform-oberflächen-messvorrichtung und verfahren - Google Patents

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Oberflächenmessvorrichtung zum Messen einer Position auf einer Oberfläche eines daran anzubringenden Elements, mit: Einem Meßrahmen mit einem Halter zum Halten des zu messenden Elements; einer Plattform mit einer drehbaren Vorrichtung, wobei die Plattform in wenigstens einer ersten Richtung relativ zu dem Rahmen beweglich ist; und einer Einrichtung zur kontaktlosen Abstandsmessung zur Messung eines Abstands in der ersten Richtung zwischen dem Messrahmen und einer vorgegebenen Messoberfläche, die auf der drehbaren Vorrichtung vorgesehen ist.
  • Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum Messen einer Position auf einer Oberfläche eines Elements, bei dem: Ein Messrahmen bereitgestellt wird; eine relativ zu dem Rahmen bewegliche Plattform bereitgestellt wird, die eine relativ zu der Plattform drehbare Vorrichtung aufweist; eine vorgegebene Messoberfläche auf der drehbaren Vorrichtung bereitgestellt wird; und in einer ersten Richtung direkt ein erster Abstand zwischen dem Messrahmen und der vorgegebenen Messoberfläche gemessen wird, die auf der drehbaren Vorrichtung bereitgestellt ist.
  • In U.S. Patent 6,008,901 werden Oberflächenformen von beispielsweise optischen Elementen durch eine Positionsmessvorrichtung gemessen, die dazu in der Lage ist unter Verwendung eines Reflexionssignals von einer zu messenden Kontur die Kontur zu messen. Mit wachsenden Dimensionen und stark variierenden Neigungen von solchen zu messenden Konturen neigen die reflektierten Signale dazu, in verschiedene Richtungen zurückgeworfen zu werden. Diese Reflexionssignale können dann nicht länger durch die verwendeten Messvorrichtungen empfangen werden; insbesondere werden die Interferometerstrahlen von der interferometrischen Detektion weg reflektiert, so dass das Messsignal verloren ist und die Oberflächenmessung außer Kontrolle ist.
  • Solche asphärischen Elemente sind ein Beispiel für Elemente, die durch oben erwähnte Art von Messvorrichtung gemessen werden können. Insbesondere erlangte die Oberflächenkonturmessung große Bedeutung, da hochpräzise lokale Formgebungsverfahren entwickelt wurden, um optische Oberflächenelemente (asphärische oder solche freier Form) herzustellen, die die Zahl von Aberrationen theoretisch erheblich reduzieren. Es ist nun allgemein akzeptiert, dass diese komplexen optischen Elemente, wenn sie geeignet konstruiert und hergestellt sind, in der Lage sind, komplizierte (mehrfache) Linsenanordnungen erheblich zu vereinfachen und gleichzeitig die Leistungsfähigkeitsmerkmale solcher Konstruktionen zu erhalten oder sogar zu verbessern, wenn sie für hochpräzise Optiken verwendet werden.
  • U.S. 4575942 beschreibt eine Plattformvorrichtung mit einem darauf angebrachten drehbaren Gerät. Sie wird jedoch nicht für Zwecke der Oberflächenmessung verwendet.
  • EP 512356 und EP 398073 offenbaren ein Messgerät zum Messen einer Oberfläche. Es ist ein Messrahmen mit einer darauf beweglichen Plattform vorhanden, wobei die Plattform ein Messgerät aufweist, das relativ zu der Plattform verschoben werden kann. Dies bringt Risiken von nicht detektierten Verwindungen mit sich, die die Verlässlichkeit der Oberflächenmessung beeinflussen könnten.
  • Es ist eine der Aufgaben der Erfindung, eine Messvorrichtung bereitzustellen, die dazu konstruiert ist, Oberflächenkonturen eines Elements mit "wilderen" Neigungen detektieren zu können, wobei gleichwohl Formmessungen mit großer Genauigkeit von bis zu nm-Positionsgenauigkeit ausgeführt werden können.
  • Zu diesem Zweck stellt die Erfindung eine Vorrichtung gemäß Oberbegriff mit den Merkmalen des beigefügten Patentanspruchs 1 bereit. Insbesondere wird gemäß der Erfindung die vorgegebene Messoberfläche durch eine Oberfläche der drehbaren Vorrichtung gebildet.
  • Durch Bereitstellen einer drehbaren Vorrichtung erlaubt die Erfindung insbesondere, dass ein konturabtastender Abstandssensor im Wesentlichen orthogonal zu einer zu messenden Oberfläche platziert wird, so dass ein reflektiertes Messsignal nicht verloren geht, sondern durch den Sensor richtig erfasst werden kann. Ferner hat die Erfindung insbesondere den Vorteil, dass sie eine direkte Messung an dem drehbaren Teil selbst erlaubt. Dadurch werden keine Positionsfehler eingeführt, beispielsweise über ein Lager, das das drehbare Teil mit der Plattform koppelt, oder durch Ungenauigkeiten der Positionierung der Plattform. Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt daher eine ultragenaue Präzisionsmessung im nm Bereich, während sie flexibel im Hinblick auf Neigungen in der zu messenden Oberflächenkontur bleibt. In dieser Hinsicht umfasst die Vorrichtung vorzugsweise eine zweite Abstandsmesseinrichtung zum Messen eines zweiten Abstandes in einer zweiten Richtung zwischen der Vorrichtung und einer ausgewählten Position auf einer Oberfläche eines Elements, das relativ zu dem Messrahmen angebracht ist, und eine Drehmesseinrichtung zum Messen eines Drehwinkels zwischen der ersten und der zweiten Richtung. Außerdem kann die Vorrichtung eine dritte Abstandsmesseinrichtung zum Messen eines dritten Abstandes in einer dritten Richtung zwischen der Plattform und dem Messrahmen aufweisen.
  • Obwohl ein solches System in Bezug auf einen speziellen Drehwinkel der drehbaren Vorrichtung kalibriert werden kann, so dass die Messoberfläche nicht perfekt rund sein muss, ist die Messoberfläche vorzugsweise rotationsinvariant. Mit "rotati onsinvariant" ist gemeint, dass die Messoberfläche wenigstens unter kleinen diskreten oder kontinuierlichen Drehungen invariant bleibt. Ein Beispiel für rotationsinvariante Oberflächen sind Polyederformen oder Kugelformen. Auf diese Weise kann allgemein unabhängig von dem Drehwinkel der drehbaren Vorrichtung eine Abstandsmessung durchgeführt werden.
  • Weiterhin weist wenigstens die erste Abstandsmesseinrichtung ein Interferometer auf und wird die drehbare Vorrichtung durch ein reflektives Teil gebildet, das eine perfekt sphärische oder zylindrische Form wenigstens über die Messoberfläche hat. Eine Ausführungsform mit Zylinderform erlaubt im Ergebnis nur eine Drehung um eine einzige Rotationsachse, die vorzugsweise senkrecht zu den ersten und zweiten Richtungen orientiert ist. Ein Vorteil einer solchen einzelnen Drehachse besteht darin, dass Freiheitsgrade der Vorrichtung eingeschränkt werden, was das mögliche Aufkommen von Positionierungsfehlern etc. vermeidet. Es schränkt aber auch die Möglichkeiten ein, Neigungen zu messen, die in der Richtung der Drehachse orientiert sind. Zu diesem Zweck werden in einer Ausführungsform, in der die drehbare Vorrichtung um mehrere Achsen drehbar ist, beispielsweise wenn das drehbare Teil eine perfekt sphärische Oberfläche über wenigstens einen Messoberflächenbereich aufweist, auch Neigungen in verschiedenen Richtungen gemessen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist das reflektive Teil in einem Gehäuse enthalten, das auf der Plattform vorgesehen ist, wobei das reflekive Teil direkt mit der zweiten Abstandsmesseinrichtung gekoppelt ist, wobei das Gehäuse ein fokussierendes Teil aufweist, um Licht von der ersten Abstandsmesseinrichtung auf das reflektive Teil zu fokussieren, so dass ein reflektierter Lichtstrahl praktisch von Mittelachse des reflektiven Teils ausgeht. Auf diese Weise wird der reflektierte Strahl zurück zum Interferometer reflektiert, so dass die Anordnung allgemein unanfällig für Strahlaufweitung aufgrund ei ner gekrümmten Oberfläche des reflektiven Teils und dessen lateraler Verschiebung ist. Vorzugsweise ist das fokussierende Teil eine zylindrische Linse und das reflektive Teil ein Zylinder, oder alternativ ist das fokussierende Teil eine sphärische Linse und das reflektive Teil ist sphärisch.
  • In einer Ausführungsform umfasst der Messrahmen einen Reflexionsspiegel und weist die Plattform ein Strahlteilerelement auf, wobei ein Strahlengang des ersten Abstandsmessinterferometers direkt zwischen dem Reflexionsspiegel, dem Strahlteilerelement und dem reflektiven Teil verläuft, wobei das Strahlteilerelement mit einer Lichtquelle gekoppelt ist, wobei das Strahlteilerelement weiter mit einem interferometrischen Lichtdetektor gekoppelt ist.
  • Um bei dem oben beschriebenen Aufbau mehr Freiheitsgrade zu ermöglichen, kann in einer praktischen Ausführungsform die Plattform in zwei orthogonale Richtungen beweglich sein und kann die Plattform eine dritte Abstandsmesseinrichtung zum Messen eines dritten Abstandes in einer dritten Richtung zwischen der Plattform und dem Messrahmen aufweisen, wobei die dritte Richtung senkrecht zu der ersten Richtung steht. Ferner weist die Vorrichtung vorteilhaft einen drehbaren Halter zum Halten eines zu vermessenen Elements auf. Um eine Verkippung des Elements relativ zu dem Halter zu detektieren, umfasst der Halter eine Referenzoberfläche, um eine Messung relativ zu dem Messrahmen zu erlauben.
  • Bei dem Aufbau der Erfindung kann bei stärkeren Neigungen der Reflexionsstrahl divergent reflektiert werden, auch wenn von einem relativ schmalen Strahl Gebrauch gemacht wird. Um ein ausreichend detektierbares reflektiertes Signal zu erhalten, weist die zweite Abstandsmesseinrichtung vorzugsweise ein Interferometer auf, das einen Autofokusdetektor zum Fokussieren eines Interferometerstrahls des Interferometers auf eine se lektierte Position auf der Oberfläche des Elements umfasst. Ein solches Autofokusmerkmal ist aus der oben zitierten Veröffentlichung an sich bekannt. Jedoch wird der Autofokusdetektor vorzugsweise mit einer Fokusabstandsmesseinrichtung bereitgestellt, um den Fokusabstand von dem Autofokusdetektor zu der ausgewählten Position auf der Oberfläche des Elements zu messen. In Kombination mit dem interferometrischen Messstrahl, liefert die Fokusabstandsmessung eine absolute Nullebene, auf der die interferometrische Messung aufbauen kann. Das Nullniveau wird im Rahmen der Positioniergenauigkeit des Autofokusdetektors bestimmt, die von der Größenordnung von wenigen Zehnteln eines nm sein kann, wobei die Variationen relativ zu dem Nullniveau innerhalb einer Positionierungsgenauigkeit des Interferometerdetektors bestimmt werden, die von der Größenordnung von weniger nm sein kann. Es ist einzusehen, dass eine solche Fokusabstandsmesseinrichtung unabhängig von dem oben erwähnten Oberflächenkonturmessaufbau verwendet werden kann.
  • Ferner weist das zweite Abstandsmessinterferometer vorzugsweise einen Kippdetektor auf, um einen Grad der Verkippung des zu messenden Elements zu detektieren. Ein solcher Kippdetektor ist aus der oben erwähnten Veröffentlichung an sich bekannt. Vorzugsweise ist der Kippdetektor dazu ausgestaltet, einen Grad der Verkippung des zu messenden Elements in einer Richtung orthogonal zu den ersten und zweiten Richtungen zu detektieren. Wie oben erläutert, kann diese Richtung insbesondere einer Drehachse des drehbaren Teils entsprechen. Kleinere Neigungen können daher entlang diese Drehachse gemessen werden, während die Vorteile einer einzelnen Drehachse erhalten bleiben.
  • Die Drehung der drehbaren Vorrichtung kann unabhängig von einer gemessenen Konturoberfläche bewirkt werden, zum Beispiel in einer "feed-forward"-Kopplungsschleife. Dies ist möglich, wenn die zu messende Oberfläche nicht besonders unregelmäßig und von allgemein bekannter Kontur ist. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Kippdetektor jedoch mit der Plattform verbunden, um so die zweite Abstandsmesseinrichtung orthogonal zu einer gemessenen Kontur des Elements zu positionieren.
  • Die Erfindung stellt ferner ein Verfahren der im Oberbegriff erwähnten Art bereit, das die Merkmale des nachfolgenden Patentanspruchs 17 umfasst. Ein solches Verfahren ergibt eine genaue Positionsmessung der Vorrichtung, im Allgemeinen unabhängig von dem Winkel der Drehung und/oder Positionierungsfehlern der Plattform.
  • Die Erfindung wird weiter unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
  • 1 eine schematische Teilansicht einer Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung,
  • 2 eine bevorzugte Ausführungsform mit einer beweglichen Plattform und einer Lichtführung, die auf der Plattform angebracht ist,
  • 3 eine alternative Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung,
  • 4 den allgemeinen Aufbau der Vorrichtung gemäß der Erfindung,
  • 5 eine perspektivische Schemaansicht der Vorrichtung gemäß der Erfindung,
  • 6 eine bevorzugte Ausführungsform eines konturabtastenden Abstandssensors,
  • 7 eine typische Verwendung des Autofokuselements bei dem konturabtastenden Abstandssensor aus 6, und
  • 8 die Strahlungsverläufe eines bevorzugten Interferometeraufbaus für die Abstandsmessvorrichtung gemäß der Erfindung.
  • In den Zeichnungen sind die gleichen oder entsprechenden Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Mit Bezug auf 1 ist ein schematischer Aufbau für eine Messvorrichtung 1 zum Messen einer Position einer drehbaren Vorrichtung 2 auf einer beweglichen Plattform 3 gezeigt. In 1 kann die drehbare Vorrichtung irgendeine drehbare Vorrichtung sein, zum Beispiel ein formgebendes Werkzeug oder ein Werkstück in einer hochpräzisen Herstellungsanlage, eine Kalibriereinrichtung zum Messen von Maschinengenauigkeit oder dergleichen. Im Folgenden konzentriert sich die Beschreibung auf den Aufbau der Messvorrichtung, wobei die drehbare Vorrichtung einen konturabtastenden Abstandssensor aufweist, der die Kontur eines zu messenden Elements abtastet, und eine Drehmesseinrichtung zum Messen eines Drehungswinkels zwischen der ersten und der zweiten Richtung. Ein solcher Aufbau wird weiter in 4 und 5 erläutert und kann als eine Konturmessvorrichtung verwendet werden.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 umfasst einen Messrahmen 4. Ein solcher Messrahmen 4 wird als eine feststehende Außenwelt angesehen und wird aus diesem Grund vorzugsweise so weit wie möglich ortsfest gehalten. Unabhängig von dem Messrahmen 4 ist eine Plattform 3 relativ zu dem Messrahmen 4 beweglich. Auf der Plattform 3 ist die drehbare Vorrichtung 2 vorgesehen, zum Beispiel ein konturabtastender Abstandssensor. In 1 ist gezeigt, dass die Plattform 3 in zwei orthogonale Richtungen (angezeigt durch die Pfeile R und Z) beweglich ist. Das genaue Führungssystem der Plattform 3 ist nicht gezeigt, wird aber mit Bezug auf die nachfolgenden Zeichnungen weiter illu striert. Die Vorrichtung umfasst zwei unabhängige Abstandsmesseinrichtungen 5, 6, um in orthogonalen Richtungen einen R-Abstand und einen Z-Abstand zwischen der Plattform 3 und dem Messrahmen 4 zu messen. Die Abstandsmesseinrichtungen 5, 6 sind vorzugsweise überlagernde Interferometer, aber es können auch andere Typen von kontaktlosen Abstandsmessern verwendet werden, zum Beispiel Weißlicht-Interferometer oder Absolutabstands-Interferometer. 1 zeigt dass die vorgegebene Messoberfläche, relativ zu der eine Abstandsmessung durchgeführt wird, eine reflektierende Messoberfläche 7 der drehbaren Vorrichtung 2 ist. In der Form eines drehbaren konturabtastenden Abstandssensors erlaubt die Erfindung insbesondere, dass der Sensor 2 allgemein orthogonal zu einer zu messenden Oberfläche platziert wird, so dass ein reflektiertes Messsignal nicht verloren geht, sondern in geeigneter Weise durch den konturabtastenden Abstandssensor 2 aufgefangen werden kann. Insbesondere erlaubt die Erfindung eine direkte Messung an dem drehbaren Sensor 2 selbst. Dadurch werden keine Positionierungsfehler eingeführt, zum Beispiel über ein Lager 8, das die drehbare Vorrichtung 2 auf der Plattform 3 drehbar lagert, oder über Ungenauigkeiten der Positionierung der Plattform 3. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 erlaubt daher eine ultra genaue nm-Präzisionsmessung.
  • 1 zeigt weiter, dass die drehbare Vorrichtung 2 eine zylindrische Form hat. Bei diesem Aufbau finden alle Bewegungen in einer einzigen Ebene statt und Drehungen treten nur mit einer Drehachse senkrecht zu dieser Ebene auf. Ein solcher Aufbau bietet gute Positionierungsgenauigkeit und -stabilität. Andere Formen, wie etwa sphärische Formen, ermöglichen auch Drehungen in andere Richtungen. Weiterhin wird mit Bezug auf 3 eine reguläre Polyederform diskutiert. Die drehbare Vorrichtung 2 mit der reflektierenden Oberfläche 7 ist in einem (nicht gezeigten) Gehäuse untergebracht, das auf der Plattform 3 vorgesehen ist. Ein solches Gehäuse stellt ein La ger 8 bereit, wie etwa ein Luftlager oder dergleichen. Für eine nm genaue Positionsmessung der drehbaren Vorrichtung 2 bildet die reflektierende Oberfläche 7 ein relativ zu der zweiten Vorrichtung 2 fixiertes Teil, zum Beispiel indem sie als integraler Teil mit der Vorrichtung 2 gebildet ist. Ferner sind fokussierende Elemente 9 zum Fokussieren von Licht von der ersten Abstandsmesseinrichtung auf die reflektierende Messoberfläche 7 vorhanden, so dass ein reflektierter Lichtstrahl im Wesentlichen von der Mittelachse der drehbaren Vorrichtung 2 ausgeht. Ein solcher Lichtstrahl stammt aus einer Heterodyn-Laseranordnung 10, die im Wesentlichen Licht bei zwei nahe beieinander liegenden Wellenlängen erzeugt, wie in diesem Gebiet der Technik gut bekannt ist.
  • In der in 1 dargestellten Ausführungsform sind diese fokussierenden Elemente 9 zylindrische Linsen, die zusammen mit der zylindrischen Reflexionsoberfläche ein Linsensystem bilden, das einen im Wesentlichen parallelen Strahl zurück zu dem Interferometerdetektor 5 beziehungsweise 6 reflektiert. Wie dargestellt, ist der Detektor 5 dazu ausgestaltet, einen relativen Abstand in der Z-Richtung zu messen, wohingegen der Detektor 6 dazu ausgestaltet ist, einen relativen Abstand in der R-Richtung zu messen.
  • Ferner werden, durch das Vorhandensein der fokussierenden Elemente 9, Verschiebungen der reflektierenden Oberfläche seitlich relativ zu dem Strahl ausgelöscht und die Positionserfassung bleibt praktisch unbeeinflusst von solchen Verschiebungen, wie es sein sollte. Obwohl das Lichtführungssystem weiter mit Bezug auf 8 beschrieben wird, sei es zum Verständnis von 1 erwähnt, dass die Vorrichtung gemäß der Erfindung eine Interferometeranordnung mit strahlteilenden Elementen 11 aufweist, die zusammen mit der Plattform 3 entlang einer Linie parallel zur R-Achse beziehungsweise zur Z-Achse bewegt werden. Die Strahlteilerelemente 11 sind mit dem Laser 10 und den interferometrischen Lichtdetektoren 5 und 6 durch eine Lichtführungsstruktur verbunden, die durch gestrichelte Linien 12 schematisch angedeutet ist. Auf diese Weise verlaufen Strahlengänge 13, 14 der Interferometeranordnung jeweils zwischen Reflexionsspiegeln 15, 16, die eine Referenzoberfläche an dem Messrahmen 4 bilden, den jeweiligen Strahlteilerelementen 11 und der reflektierenden Messoberfläche 7. Daraus folgt, dass in der in 1 dargestellten Ausführungsform eine Interferometeranordnung zum Messen eines R-Abstandes entlang des Strahls 14 einen Laser 10, Strahlteiler 11, einen reflektierenden Bezugsspiegel 16, eine reflektierende Messoberfläche 7 und einen Interferometerdetektor 6 aufweist. Die Interferometeranordnung zum Messen eines Z-Abstandes entlang des Strahls 13 zwischen dem Messrahmen 4 und der reflektierenden Messoberfläche 7 umfasst einen Laser 10, ein Strahlteilerelement 11, einen reflektierenden Bezugsspiegel 15, eine reflektierende Messoberfläche 7 und einen Interferometerdetektor 5. Weitere Einzelheiten dieses Aufbaus werden mit Bezug auf 8 beschrieben.
  • In 1 sind die Lichtführungsstrukturen von dem Laser 10 über jeweilige Strahlteiler 11 zu den Interferometerdetektoren 5 und 6 nur schematisch durch gestrichelte Linie illustriert. In 2 ist dies bei einer bevorzugten Lichtführungskonfiguration detaillierter gezeigt, wie auch Einzelheiten betreffend eine bevorzugte Betätigung der Plattform 3 deutlich werden. Die Lichtführungskonfiguration umfasst einen Führungsspiegel 17 und einen (nicht polarisierenden) Strahlteiler 18, der den Strahl von dem Laser 10 auf die polarisierenden Strahlteiler 11 der jeweiligen heterodynen-Interferometeranordnungen in R- und Z-Richtung verteilt. Dieser Aufbau sorgt dafür, dass der Laser 10 und jeweils der Detektor 5 und 6 gut entlang der R-Achse ausgerichtet sind und dass die jeweiligen Detektoren 5 und 6 ein Signal unabhängig von der R/Z-Position der Plattform 3 empfangen. Insbesondere können die Strahlteiler 11 sich frei entlang des R-Zweiges 19 beziehungsweise des Z-Zweiges 20 des Laserstrahls, parallel zur R-Achse beziehungsweise Z-Achse bewegen, während sie im Wesentlichen ihre Position in dem Laserstrahl erhalten. Wie nun mit Bezug auf 8 erläutert wird, erzeugt diese Bewegung keinen Detektionsfehler, da die Detektion relativ unabhängig von dem Abstand der Strahlteiler 11 zu den Bezugsspiegeln 15 beziehungsweise 16 ist. Was eine bevorzugte Betätigung der Plattform 3 anbelangt, so bewegt sich die Plattform 3 relativ zu einer Führungsplattform 21, die nur in R-Richtung beweglich ist. Die Plattform 3 bewegt sich in Z-Richtung relativ zu der Führungsplattform 21. Die Führungsplattform 21 enthält eine Lichtführungsanordnung in Form eines Strahlteilers 18 und eines Führungsspiegels 17. In dem R-Zweig 19 ist der Strahlteiler 11 an der Führungsplattform 21 angeordnet, um den Laserstrahl aus dem R-Zweig in den Strahlenweg 13 zu teilen. In dem Z-Zweig 20 ist der Strahlteiler 11 an der Plattform 3 angeordnet und bewegt sich entlang des Z-Zweiges 20, während das Licht aus dem Z-Zweig in den Strahlengang 14 geteilt wird. Da strahlteilende Spiegel und Führungsspiegel nur in begrenzter Anzahl eingesetzt werden, kann eine hohe Genauigkeit aufrechterhalten werden.
  • 3 zeigt eine alternative Ausführungsform der Erfindung. Hier ist im Vergleich zu der Ausführungsform von 2 im Wesentlichen mehr Freiheit in der Gestaltung des Lichtführungssystems erlaubt, indem flexible Lichtführungen in Form von Fasern 22 verwendet werden. Diese Fasern 22 ermöglichen es, dass der Laser 10 und die Detektoren 5 und 6 an Positionen platziert werden, die relativ unabhängig von der Plattformbewegung sind. Weiterhin können nun die Strahlteiler 11 und 18 auf einer einzelnen Plattform 3 vorgesehen werden, was relative Positionierungsfehler reduziert und die Ausrichtung vereinfacht. Für den Interferometeraufbau wird keine Führungsplattform 21 mehr verwendet. Anstelle der perfekten Kreisform des Querschnitts des reflektierenden Teils 2 wird in 3 eine regelmäßige Polyederform verwendet, was eine relativ flache Reflexionsoberfläche für die Messstrahlen 13 und 14 ermöglicht. Hierbei wird der Strahl nicht divergent auf der reflektierenden Messoberfläche 7 reflektiert, sondern läuft direkt zu den Strahlteilern 11 und den jeweiligen Spiegeln 15 und 16 weiter.
  • 4 und 5 zeigen eine generelle schematische Ansicht im Querschnitt und eine perspektivische Ansicht einer Oberflächenkonturmessvorrichtung 23. Diese Messvorrichtung umfasst eine drehbare Spindel 24 zum Befestigen eines zu messenden Elements 25 (schematisch bezeichnet durch den kreisförmigen Pfeil θ). Das zu messende Element 25 kann ein optisches Element wie etwa eine Linse oder ein asphärisches optisches Element sein. In dieser Hinsicht bezeichnet der Begriff asphärisch ein Element, das rotationssymmetrisch entlang der Drehachse 26 der Spindel 24 sein kann, das aber von der sphärischen Form entlang der radialen Kontur, angedeutet durch Bezugszeichen 27 abweicht. Das asphärische Element 25 kann jedoch auch nicht rotationssymmetrisch sein wie weiter unten erläutert wird. Über der sich drehenden Spindel 24 ist ein konturabtastender Sensor 2 vorhanden und drehbar, was schematisch durch den Drehwinkel φ angezeigt ist. Der Abstandssensor 2 misst einen Abstand s relativ zu einer ausgewählten Position auf einer Oberfläche eines Elements 25, das an der Spindel 24 befestigt ist. Schematisch angezeigt durch (vorzugsweise kontaktlose) Mess/Referenzelemente 28 wird die Position der Spindel 24 relativ zu dem Messrahmen 4 gemessen. Zusätzlich wird die radiale Versetzung der Spindel gemessen. Um auch eine Verkippung des Elements 25 relativ zu der Spindel 24 zu erfassen, umfasst die Spindel 24 eine weitere Referenzoberfläche (nicht gezeigt). Auf diese Weise wird der Messkreis geschlossen, wobei jede Position an dem Element 25 direkt mit dem Messrahmen 4 verknüpft wird, so dass die Relativposition des Elements 25 in Bezug auf den Messrahmen 4 bekannt ist. Da solche Mess/Referenzausrichtungen im Stand der Technik bekannt sind, wird darauf nicht weiter eingegangen. Der Winkel φ der Drehung des Abstandssensors 2 ist durch eine Drehmesseinrichtung bekannt, die in 1 bis 3 schematisch bei Bezugszeichen 29 gezeigt ist.
  • Aus 4 folgt, dass alle gemessenen Positionen relativ zu dem Messrahmen 4 bekannt sind. Durch die Vorrichtung 1 gemäß der Erfindung kann die Oberflächenkontur des Elements 25 abgeleitet werden, ohne dass Abbe-Fehler aufgrund von Ausrichtungen eingeführt werden, da man dazu in der Lage ist, die Position des drehbaren Abstandssensors 2 zu messen, indem direkt an einer Messoberfläche 7, die an dem drehbaren Abstandssensor 2 vorgesehen ist, gemessen wird. Um Messfehler noch weiter zu eliminieren, ist die Vorrichtung 1 auf erschütterungsabsorbierenden Säulen 30 angebracht, die eine relativ vibrationsfreie Messumgebung bereitstellen.
  • 6 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform für den Oberflächenkonturabtastsensor 2. Der Sensor weist eine zweiteilige Anordnung auf, mit einem (heterodynen) interferometrischen Teil 31 zum Durchführen einer tatsächlichen Messung der optischen Weglängendifferenz zwischen einem Bezugszweig 32 und einem Messzweig 33 und ein Autofokusteil 34, wie weiter unten erläutert wird.
  • Der Messzweig 33 verläuft durch den Autofokusteil 34 und wird an einer Abtastoberfläche 35, die Teil eines zu messenden Elements ist, zurück reflektiert. Die gemessene optische Weglängendifferenz zwischen dem Messzweig 33 relativ zu dem Referenzzweig 32 im interferometrischen Teil 31 liefert eine Subnanometer-Genauigkeit der Versetzung der abgetasteten Oberfläche 35 zu einer Referenzposition, die an dem interferometrischen Teil 31 fixiert ist. Der Kern der Interferome teranordnung 31 wird im Wesentlichen durch den polarisierenden Strahlteiler 36 gebildet, der mit λ/4 Plättchen 37 versehen ist, um einen gewünschten Strahlengang für den Messstrahl 33 und den Referenzstrahl 32 zu bilden. Die interferometrische Messung wird im Wesentlichen durch eine Anordnung ausgeführt, die durch den Laser 10 (der derselbe wie der in den vorhergehenden Figuren bei der Abstandsmessungsanordnung gezeigte sein kann oder ein anderer), den Interferometer-Detektor 38, den polarisierenden Strahiteiler 36, die Referenzoberfläche 39 und die abgetastete Oberfläche 35 gebildet wird.
  • Um den abtastenden Strahl 33 fokussiert zu halten, ist in dem Messzweig 33 eine Autofokusanordnung 34 vorgesehen, um den abtastenden Strahl 33 auf eine ausgewählte Position auf der Oberfläche 35 des Elements 25 zu fokussieren. Zu diesem Zweck umfasst die Autofokusanordnung 34 einen (nicht polarisierenden) Strahlteiler 40, der einen Teil des reflektierten abtastenden Strahls 33 zu einer Detektoreinheit 41 abzweigt. Die Detektoreinheit 41 detektiert einen Unterschied in der Balance und/oder Position eines Paares von Fokuspunkten 42, um eine Verkippung und/oder Fokussierung des abtastenden Strahls zu messen. 7 zeigt die Effekte einer solchen Fokussierung und/oder eine Verkippung in Positionen: (1) zeigt eine abgetastete Oberfläche 35 im Fokus des abtastenden Strahls 33 und in horizontaler. Stellung, wobei zwei Detektorpunkte 42 zentriert sind; (2) zeigt die abgetastete Oberfläche 35 außer Fokus, wobei die beiden Detektorpunkte 42 immer noch ausgeglichen, aber aus dem Zentrum verschoben sind; (3) zeigt die abgetastete Oberfläche 35 gekippt, wobei ein Ungleichgewicht zwischen den Detektorpunkten 42 detektiert wird. In 7 ist das reflektierte Signal mit gepunkteten Linien dargestellt.
  • Die Neigung der abgetasteten Oberfläche 35 kann über diese Verkippungsdetektion gemessen werden. Die Neigung kann auch in mehreren Richtungen unter Verwendung von verallgemeinerten Versionen dieses Aufbaus mit mehr als zwei Detektorpunkten 42 gemessen werden.
  • Ansonsten, wie in Bezug auf 4 dargestellt, kann die Neigung der Oberfläche 35 nur in der tangentialen Richtung der sich drehenden Spindel 24 gemessen werden, da die radiale Neigung unter Verwendung der Interferometeranordnung 2 (indirekt) gemessen wird. Der interferometrische Abstandssensor 2 mit seinem Autofokus liefert eine absolute Abstandsmessung zusätzlich zu der (relativen) interferometrischen Messung. Mit anderen Worten wird bei Anwendung der interferometrischen Detektion eine relative Versetzung durch eine gemessene optische Weglängendifferenz in dem Referenzzweig 32 und dem Messzweig 33 gemessen. Dies liefert eine gemessene Kontur, die eine nicht festgelegte Nulllinie hat. Zu diese Zweck hat die Autofokusanordnung 34 eine Fokusabstandsmesseinrichtung 43, um einen Fokusabstand von dem Autofokusdetektor zu der abgetasteten Oberfläche 38 des Elements 30 zu messen. Die Einrichtung kann ein kapazitiver Abstandsmesser oder ein induktiver Abstandsmesser sein. Alternativ kann ein Glaslineal verwendet werden, um einen absoluten Abstand relativ zu der Messoberfläche 7/Messrahmen 4 zu liefern. Die Anordnung 2 ist daher als dazu in der Lage dargestellt, eine absolute Abstandsmessung innerhalb der Genauigkeit der Autofokusanordnung 34 mit der Fokusabstands-Messeinrichtung 43 zu liefern und eine relative Messung innerhalb der Auflösung der Interferometeranordnung 31. Es kann klar sein, dass der konturabtastende Sensor wie dargestellt auch in nicht drehbaren Konfigurationen verwendet werden kann.
  • 8 zeigt die relative Intensität von (kleinen) Versetzungen eines Strahlteilerelements 11, das in 1 bis 3 dargestellt ist. In der Figur ist das Strahlteilerelement 11 um eine durch d bezeichnete Strecke verschoben. Der Strahlengang für das unverschobene Strahlteilerelement 11 ist als graue Li nie als Messstrahl M1 und Referenzstrahl R1 dargestellt; der Strahlengang für das verschobene Strahlteilerelement ist in schwarzen Linien als Messstrahl M2 und Referenzstrahl R2 dargestellt. Die Strahlen R1, M1 (und die verschobenen R2, M2) sind polarisierte Strahlen, relativ orthogonal zueinander und gesendet von dem Heterodyn-Laser 10. Die Strahlen R1, M1 interferieren nach Drehung der Polarisation in einem Beat-Signal, das durch Dopplereffekte leicht verschoben ist, die durch relative Variationen zwischen den beiden Strahlen verursacht sind. Die Anordnung ist so, dass der Referenzstrahl R1 ungehindert durch den Strahlteiler 11 zu dem Detektor 5 verläuft. Der Messstrahl M1 wird jedoch, aufgrund seines orthogonalen Polarisationszustandes relativ zu R1, durch den polarisierenden Strahlteiler 11 zu dem Bezugsspiegel 15 abgelenkt. Zu und von diesem Referenzspiegel 15 durchläuft er zweimal ein λ/4 Plättchen 44, was effektiv in einer 90° Relativdrehung der Polarisation resultiert, so dass beim Eintritt in den polarisierenden Strahlteiler 11 der Strahl M1 nun den gleichen Polarisationszustand wie R1 hat und ungehindert durch den Strahlteiler 11 zu der Messoberfläche 7 verläuft. Ein solches doppeltes Passieren der Platte 44 führt zu einer anderen 90° Verschiebung der Polarisation, was zu einer Reflexion durch den Strahlteiler 11 zu dem Detektor 5 führt. In 8 ist illustriert, wie der Messstrahl M1 und der Referenzstrahl R1 nach einer kleinen Verschiebung des Strahlteilers verschoben sind. Dies zeigt, dass die optische Weglängendifferenz zwischen dem Referenzstrahl (R1, R2) und dem Messstrahl (M1, M2) durch eine solche Verschiebung nicht betroffen ist, was zu einer unbeeinflussten Messung des Abstandes (Variationen) zwischen dem Bezugsspiegel 15 und der Messoberfläche 7 führt. Es folgt, dass die Lichtführungsanordnung wie in 1 bis 3 dargestellt keine Fehler in der Positionsdetektion hinzufügt, da die Position der Lichtführungselemente 11 relativ unwichtig ist.
  • Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf bestimmte bevorzugte Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist die Erfindung nicht darauf beschränkt, sondern umfasst Variationen und Modifikationen, ohne vom Umfang der Erfindung wie in den nachfolgenden Patentansprüchen definiert abzuweichen.

Claims (17)

  1. Oberflächenmessvorrichtung zum Messen einer Position auf einer Oberfläche eines daran anzubringenden Elements, mit: – Einem Messrahmen mit einem Halter zum Halten des zu messenden Elements; – einer Plattform mit einer drehbaren Vorrichtung, wobei die Plattform in wenigstens einer ersten Richtung relativ zu dem Rahmen beweglich ist; und – einer Einrichtung zur kontaktlosen Abstandsmessung zur Messung eines Abstands in der ersten Richtung zwischen dem Messrahmen und einer vorgegebenen Messoberfläche, die auf der drehbaren Vorrichtung vorgesehen ist, – wobei die drehbare Vorrichtung weiterhin aufweist: – eine zweite Abstandsmesseinrichtung zum Messen eines zweiten Abstandes in einer zweiten Richtung zwischen der Vorrichtung und einer ausgewählten Position auf einer Oberfläche eines Elements, das relativ zu dem Messrahmen angebracht ist; und – eine Drehmesseinrichtung zum Messen eines Drehwinkels zwischen der ersten und der zweiten Richtung.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Messoberfläche rotationsinvariant ist.
  3. Vorrichtung nach Ansprüchen 1-2, wobei wenigstens die erste Abstandsmesseinrichtung ein Interferometer umfasst und die Messoberfläche durch ein reflektives Teil gebildet wird, das eine Polyeder- oder Kreisform wenigstens über die Messoberfläche hat.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei das reflektive Teil in einem Gehäuse enthalten ist, das auf der Plattform vorgesehen ist, und wobei das reflektive Teil direkt mit der zweiten Abstandsmesseinrichtung gekoppelt ist, wobei das Gehäuse ein fokussierendes Teil aufweist, um Licht von der ersten Abstandsmesseinrichtung auf das reflektive Teil zu fokussieren, so dass ein reflektierter Lichtstrahl praktisch von der Mittelachse des reflektiven Teils ausgeht.
  5. Vorrichtung nach Ansprüchen 3-4, wobei das fokussierende Teil eine zylindrische Linse und das reflektive Teil ein Zylinder ist oder wobei das fokussierende Teil eine sphärische Linse und das reflektive Teil sphärisch ist.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3-5, wobei der Messrahmen einen Reflexionsspiegel aufweist und wobei die Plattform ein Strahlteilerelement aufweist, wobei ein Strahlengang des ersten Abstandsmessinterferometers direkt zwischen dem Reflexionsspiegel, dem Strahlteilerelement und dem reflektiven Teil verläuft, wobei das Strahlteilerelement mit einer Lichtquelle gekoppelt ist, wobei das Strahlteilerelement weiter mit einem interferometrischen Lichtdetektor gekoppelt ist.
  7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Plattform in zwei orthogonalen Richtungen beweglich ist und die Plattform eine dritte Abstandsmesseinrichtung zum Messen eines dritten Abstandes in einer dritten Richtung zwischen der Plattform und dem Messrahmen aufweist, wobei die dritte Richtung senkrecht zu der ersten Richtung steht.
  8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die weiter einen drehbaren Halter zum Halten eines zu vermessenden Elements aufweist.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei der Halter eine Bezugsoberfläche umfasst, um eine Messung relativ zu dem Messrahmen zu ermöglichen.
  10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Abstandsmesseinrichtung aufweist: – Einen interferometrischen Teil zum Bereitstellen eines interferometrischen Messstrahls; – ein bewegliches Fokusteil zum Fokussieren des interferometrischen Strahls auf eine ausgewählte Position auf der Oberfläche des Elements; – einen interferometrischen Detektor zum Empfangen des interferometrischen Strahls von der ausgewählten Position und zum Messen eines Abstandes zwischen dem interferometrischen Teil und der ausgewählten Position; – einer Einheit zum automatischen Bewegen des Fokussierteils auf eine Fokusposition; und – eine Fokusabstandsmesseinrichtung zum Messen einer relativen Position zwischen dem Fokusteil und dem interferometrischen Teil.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Fokusabstandsmesseinrichtung einen induktiven und/oder kapazitiven Ab standsmesser oder ein Glaslineal oder dergleichen aufweist.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Fokusabstandsmesseinrichtung mit dem interferometrischen Detektor gekoppelt ist, um einen absoluten Nullpunkt für eine von dem Detektor durchgeführte interferometrische Messung zu liefern.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Fokusabstandsmesseinrichtung einen Abstandsmesser zum Messen eines relativen Abstandes des Interferometers relativ zu dem Autofokus aufweist.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 10-13, wobei das zweite Abstandsmessinterferometer einen Kippdetektor aufweist, um einen Grad der Verkippung des zu messenden Elements zu detektieren.
  15. Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei der Kippdetektor dazu ausgestaltet ist, einen Grad der Verkippung des zu messenden Elements in einer Richtung orthogonal zu den ersten und zweiten Richtungen zu detektieren.
  16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, wobei der Kippdetektor mit der Plattform verbunden ist, um so die zweite Abstandsmesseinrichtung orthogonal zu einer gemessenen Kontur des Elements zu positionieren.
  17. Verfahren zum Messen einer Position auf einer Oberfläche eines Elements, bei dem: – Ein Messrahmen bereitgestellt wird; – eine relativ zu dem Rahmen bewegliche Plattform bereitgestellt wird, die eine relativ zu der Plattform drehbare Vorrichtung aufweist; – eine vorgegebene Messoberfläche auf der drehbaren Vorrichtung bereitgestellt wird; – in einer ersten Richtung direkt ein erster Abstand zwischen dem Messrahmen und der vorgegebenen Messoberfläche gemessen wird, die auf der drehbaren Vorrichtung bereitgestellt ist; – in einer zweiten Richtung ein zweiter Abstand zwischen der drehbaren Vorrichtung und einer ausgewählten Position auf einer Oberfläche eines Elements gemessen wird, das relativ zu dem Messrahmen gehalten ist; und – ein Drehwinkel zwischen der ersten und der zweiten Richtung gemessen wird.
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