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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.
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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.
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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.
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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.
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U.S.
4575942 beschreibt eine Plattformvorrichtung mit einem darauf angebrachten
drehbaren Gerät.
Sie wird jedoch nicht für
Zwecke der Oberflächenmessung
verwendet.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
Erfindung wird weiter unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine
schematische Teilansicht einer Ausführungsform der Vorrichtung
gemäß der Erfindung,
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2 eine
bevorzugte Ausführungsform
mit einer beweglichen Plattform und einer Lichtführung, die auf der Plattform
angebracht ist,
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3 eine
alternative Ausführungsform
der Vorrichtung gemäß der Erfindung,
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4 den
allgemeinen Aufbau der Vorrichtung gemäß der Erfindung,
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5 eine
perspektivische Schemaansicht der Vorrichtung gemäß der Erfindung,
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6 eine
bevorzugte Ausführungsform
eines konturabtastenden Abstandssensors,
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7 eine
typische Verwendung des Autofokuselements bei dem konturabtastenden
Abstandssensor aus 6, und
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8 die
Strahlungsverläufe
eines bevorzugten Interferometeraufbaus für die Abstandsmessvorrichtung
gemäß der Erfindung.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.