ES2281838T3 - Aparato optico de medicion de superficies de forma libre y metodo asociado. - Google Patents
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Abstract
Aparato de medición de superficie para medir una posición en una superficie de un elemento a montar en el mismo, que comprende: - un bastidor de medición que comprende un soporte para montar el elemento a medir; - una plataforma que comprende un dispositivo giratorio, pudiendo moverse la plataforma, como mínimo, en una primera dirección con respecto a dicho bastidor de medición; y - un dispositivo de medición de distancia sin contacto para medir en dicha primera dirección una distancia entre dicho bastidor de medición y una superficie de medición predeterminada dispuesta en dicho dispositivo giratorio, - comprendiendo además dicho dispositivo giratorio: - un segundo dispositivo de medición de distancia, para medir en una segunda dirección una segunda distancia entre dicho dispositivo y una posición seleccionada en una superficie de un elemento montado con respecto a dicho bastidor de medición; y - un dispositivo de medición de giro para medir un ángulo de giro entre dichas primera y segundadirecciones.
Description
Aparato óptico de medición de superficies de
forma libre y método asociado.
La invención se refiere a un aparato de medición
de superficie para medir una posición en una superficie de un
elemento a montar en el mismo, que comprende: un bastidor de
medición que comprende un soporte para montar el elemento a medir;
una plataforma que comprende un dispositivo giratorio, pudiendo
moverse la plataforma como mínimo en una primera dirección con
respecto a dicho bastidor de medición; y un dispositivo de medición
de distancia, sin contacto, para medir en dicha primera dirección
una distancia entre dicho bastidor de medición y una superficie de
medición predeterminada dispuesta en dicho dispositivo
giratorio.
La invención se refiere además a un método para
medir una posición en una superficie de un elemento, que comprende:
disponer un bastidor de medición; disponer una plataforma que puede
moverse con respecto al bastidor y que comprende un dispositivo que
puede girar con respecto a la plataforma; disponer una superficie de
medición predeterminada en dicho dispositivo giratorio; y medir
directamente en una primera dirección una primera distancia entre
dicho bastidor de medición y dicha superficie de medición
predeterminada dispuesta en dicho dispositivo giratorio.
En la patente de Estados Unidos 6.008.901 las
formas de superficie, por ejemplo, de elementos ópticos, se miden
mediante un dispositivo de medición de posición que puede medir un
contorno utilizando una señal de reflexión proveniente del contorno
a medir. No obstante, para dimensiones mayores e inclinaciones más
pronunciadas de dichos contornos a medir, las señales de reflexión
tienden a desviarse en varias direcciones. De este modo, estas
señales de reflexión no pueden seguir recibiéndose por parte de los
dispositivos de medición que se utilizan; de manera específica, los
haces de interferómetro se reflejan alejándose de la detección
interferométrica, de modo que se pierde una señal de medición y la
medición de la superficie queda fuera de límites.
Dichos elementos asféricos constituyen un
ejemplo de elementos que pueden medirse mediante el tipo de aparatos
de medición mencionados anteriormente. De manera específica, la
medición de contorno de superficies se ha convertido en un tema
importante, ya que se han desarrollado métodos de conformación local
de alta precisión a efectos de fabricar elementos de superficie
ópticos (asféricos o de forma libre) que teóricamente reducen en
gran medida el número de aberraciones. Tal como ha podido
comprobarse de manera general, estos elementos ópticos complejos,
cuando están diseñados y fabricados de manera adecuada, pueden
simplificar en gran medida diseños de lentes complejos (múltiples),
y mantener al mismo tiempo, o incluso aumentar, las características
de rendimiento de dichos diseños cuando se utilizan en óptica de
gran precisión.
El documento US4575942 da a conocer un
dispositivo de plataforma con un dispositivo giratorio montado en la
misma. No obstante, el mismo no se utiliza para la medición de
superficies.
Los documentos EP512356 y EP398073 dan a conocer
un dispositivo de medición para medir una superficie. Un bastidor
de medición está dotado de una plataforma móvil en el mismo,
comprendiendo la plataforma un dispositivo de medición que puede
desplazarse con respecto a la plataforma. Esto introduce el riesgo
de torsiones no detectadas, que podrían influenciar en la
fiabilidad de la medición de la superficie.
Uno de los objetivos de la invención es dar a
conocer un aparato de medición que está diseñado para poder
detectar un contorno de superficie de un elemento con inclinaciones
"más pronunciadas", en el que puede seguir realizándose la
medición de la forma con gran precisión, con una precisión
posicional del orden de hasta nm.
Para ello, la invención da a conocer un aparato
del tipo mencionado en el preámbulo, que comprende las
características de la reivindicación 1 adjunta. De manera
específica, según la invención, dicha superficie de medición
predeterminada está formada por una superficie de dicho dispositivo
giratorio.
De manera específica, al disponer un dispositivo
giratorio, la invención permite situar un detector de distancia de
escaneo de contorno de manera generalmente ortogonal con respecto
una superficie a medir, de modo que una señal de medición reflejada
no se pierde, sino que puede ser captada de manera adecuada por el
detector. Además, de manera específica, la invención presenta un
beneficio, que consiste en que permite una medición directa en el
propio elemento giratorio. Gracias a esto, no se introducen errores
posicionales, por ejemplo, a través de un cojinete que conecta
giratoriamente dicho elemento giratorio a dicha plataforma, o a
través de imprecisiones en la disposición de la plataforma. De este
modo, el aparato de la invención permite una precisión de medición
ultra precisa, del orden de nm, manteniendo al mismo tiempo su
flexibilidad en lo que respecta a las inclinaciones en el contorno
de la superficie a medir. A este respecto, preferentemente, el
aparato comprende además un segundo dispositivo de medición de
distancia, para medir en una segunda dirección una segunda distancia
entre dicho dispositivo y una posición seleccionada en una
superficie de un elemento montado con respecto a dicho bastidor de
medición; y un dispositivo de medición de giro para medir un ángulo
de giro entre dichas primera y segunda direcciones. Adicionalmente,
el aparato puede comprender un tercer dispositivo de medición de
distancia, para medir en una tercera dirección una tercera
distancia entre dicha plataforma y dicho bastidor de medición.
Aunque dicho sistema puede calibrarse con
respecto a un ángulo de giro específico del dispositivo giratorio,
de modo que no sea necesario que la superficie de medición sea
perfectamente circular, preferentemente, dicha superficie de
medición es invariable giratoriamente. Se entiende como
"invariable giratoriamente" que la superficie de medición
permanece como mínimo invariable al realizar giros pequeños
discontinuos o continuos. Un ejemplo de superficies invariables
giratoriamente son formas poliédricas o formas circulares. De este
modo, puede realizarse una medición de distancia de manera
generalmente independiente al ángulo de giro del elemento
giratorio.
Además, preferentemente, como mínimo dicho
primer dispositivo de medición de distancia comprende un
interferómetro, y dicho elemento giratorio está formado por un
elemento reflectante que tiene una forma esférica o cilíndrica
perfecta, como mínimo, en dicha superficie de medición. Una
realización con una forma cilíndrica permite solamente un giro de
manera eficaz alrededor de un único eje de giro, orientado
preferentemente en perpendicular con respecto dichas primera y
segunda direcciones. Un beneficio de un eje de giro de este tipo
consiste en que los grados de libertad del aparato quedan
limitados, eliminando un posible aumento de errores posicionales,
etc. No obstante, esto también limita las posibilidades de medir
inclinaciones orientadas en la dirección de dicho eje de giro. Para
ello, en una realización en la que el elemento giratorio puede girar
con respecto a múltiples ejes, por ejemplo, en la que el elemento
giratorio comprende una superficie perfectamente esférica, como
mínimo, en una zona de la superficie de medición, también pueden
medirse inclinaciones en diferentes direcciones.
En una realización preferente, dicho elemento
reflectante está comprendido en un alojamiento dispuesto en dicha
plataforma, y en la que dicho elemento reflectante está conectado
directamente a dicho segundo dispositivo de medición de distancia,
comprendiendo dicho alojamiento un elemento de enfoque para dirigir
luz desde dicho primer dispositivo de medición de distancia sobre
dicho elemento reflectante, de modo que un haz de luz reflectante
emana virtualmente del eje central de dicho elemento reflectante. De
esta manera, el haz de reflexión es reflejado nuevamente hacia el
interferómetro, de modo que la disposición es invariable de manera
general a la divergencia debida a una superficie curvada del
elemento reflectante y a un desplazamiento lateral del mismo.
Preferentemente, dicho elemento de enfoque es una lente cilíndrica
y dicho elemento reflectante es cilíndrico o, alternativamente,
dicho elemento de enfoque es una lente esférica y dicho elemento
reflectante es
esférico.
esférico.
En una realización, dicho bastidor de medición
comprende un espejo reflectante, y en la que dicha plataforma
comprende un elemento de separación de haces, en la que un recorrido
de haz de dicho primer interferómetro de medición de distancia
discurre directamente entre dicho espejo reflectante, dicho elemento
de separación de haces y dicho elemento reflectante, en la que
dicho elemento de separación de haces está conectado a una fuente
de luz, estando conectado además dicho elemento de separación de
haces a un detector de luz interferométrico. Esta configuración
interferométrica permite la conexión directa de un haz de referencia
interferométrico al bastidor de medición, de modo que la
configuración es invariable de manera general a desplazamientos de
dicha plataforma a lo largo de dicho recorrido del haz, cuando el
posicionamiento del elemento reflectante permanece inmóvil.
Para permitir más grados de liberación en la
configuración mencionada anteriormente, en una realización práctica,
dicha plataforma puede moverse en dos direcciones ortogonales, y
dicha plataforma comprende un tercer dispositivo de medición de
distancia para medir en una tercera dirección una tercera distancia
entre dicha plataforma y dicho bastidor de medición, siendo dicha
tercera dirección ortogonal a dicha primera dirección. Además,
preferentemente, el aparato comprende un soporte giratorio para
montar un elemento a medir. A efectos de detectar la inclinación
del elemento con respecto a dicho soporte, dicho soporte comprende
una superficie de referencia para permitir una medición con
respecto a dicho bastidor de medición.
En la configuración de la invención, para
inclinaciones más pronunciadas, el haz de reflexión puede reflejarse
de manera divergente, incluso si se utiliza un haz relativamente
estrecho. Para conservar una señal reflejada suficientemente
detectable, dicho segundo aparato de medición de distancia comprende
preferentemente un interferómetro que comprende un detector de auto
foco para dirigir un haz interferométrico de dicho interferómetro
hacia una posición seleccionada en dicha superficie de dicho
elemento. Una característica de auto foco de este tipo es conocida
por sí misma por la publicación mencionada anteriormente. No
obstante, preferentemente, dicho detector de auto foco está dotado
de un dispositivo de medición de distancia de foco, a efectos de
medir una distancia focal desde dicho detector de auto foco hasta
dicha posición seleccionada en dicha superficie de dicho elemento.
En combinación con dicho haz de medición interferométrico, dicha
medición de distancia focal permite obtener un plano de nivel cero
absoluto a partir del cual puede realizarse la medición
interferométrica. El nivel cero se establece dentro de una
precisión de posicionamiento del detector de auto foco, que puede
ser del orden de algunas décimas de nm, donde las variaciones con
respecto a dicho nivel cero se establecen con una precisión de
posicionamiento del detector de interferómetro, que puede ser del
orden de algunos nm. Se entenderá que un dispositivo de medición de
distancia focal de este tipo puede utilizarse independientemente de
la configuración de medición de contorno de superficies, mencionada
anteriormente.
Además, preferentemente, dicho segundo
interferómetro de medición de distancia puede comprender un detector
de inclinación para detectar un nivel de inclinación de dicho
elemento a medir. Un detector de inclinación de este tipo es
conocido por sí mismo por la publicación mencionada anteriormente.
Preferentemente, dicho detector de inclinación está dispuesto para
detectar un nivel de inclinación del elemento a medir en una
dirección ortogonal a dichas primera y segunda direcciones. De
manera específica, tal como se ha explicado anteriormente, dicha
dirección puede corresponderse de manera general con un eje de giro
del elemento giratorio. De este modo, también pueden medirse
inclinaciones más pequeñas a lo largo del eje de giro, conservando
al mismo tiempo los beneficios de un único eje de giro.
El giro de dicho elemento giratorio puede
realizarse independientemente de una superficie de contorno medido,
por ejemplo, mediante un bucle de alimentación de avance (feed
forward loop). Esto es posible cuando la superficie a medir no es
particularmente irregular, y tiene un contorno generalmente
conocido. No obstante, en una realización preferente, dicho
detector de inclinación está conectado a dicha plataforma, a efectos
de posicionar dicho segundo interferómetro de medición de distancia
de manera ortogonal con respecto a un contorno medido de dicho
elemento.
La invención da a conocer asimismo un método del
tipo mencionado en el preámbulo, que comprende las características
de la reivindicación 17 adjunta. Un método de este tipo permite
obtener una medición de posicionamiento precisa de dicho
dispositivo, generalmente independiente del ángulo de giro y/o de
errores posicionales de dicha plataforma.
La invención se ilustrará de manera adicional
haciendo referencia a los dibujos adjuntos. En los dibujos:
la figura 1 muestra una vista parcial,
esquemática, de una realización del aparato según la invención;
la figura 2 muestra una realización preferente,
que tiene una plataforma móvil y un dispositivo de guía de luz
montado en dicha plataforma;
la figura 3 muestra una realización alternativa
del aparato según la invención;
la figura 4 muestra una configuración general
del aparato según la invención;
la figura 5 muestra una vista esquemática, en
perspectiva, del aparato según la invención;
la figura 6 muestra una realización preferente
de un detector de distancia de escaneo de contorno;
la figura 7 muestra una utilización típica del
elemento de auto foco en el detector de distancia de escaneo de
contorno de la figura 6; y
la figura 8 muestra un análisis de rayos de una
configuración interferométrica preferente de un aparato de medición
de distancia según la invención.
En los dibujos, los elementos idénticos o
correspondientes se indicarán con los mismos numerales de
referencia. Haciendo referencia a la figura 1, se representa una
configuración esquemática de un aparato de medición (1) para medir
una posición de un dispositivo giratorio (2) en una plataforma móvil
(3). En la figura 1, el dispositivo giratorio puede ser cualquier
dispositivo giratorio, por ejemplo, una herramienta de conformación
o una pieza de trabajo en un dispositivo de fabricación de alta
precisión, un dispositivo de calibración para medir la precisión de
una máquina, o similar. En el resto, la descripción se dirigirá
hacia configuraciones de aparatos de medición, en las que el
dispositivo giratorio comprende un detector de distancia de escaneo
de contorno que escanea el contorno de un elemento a medir; y un
dispositivo de medición de giro para medir un ángulo de giro entre
dichas primera y segunda direcciones. En las figuras 4 y 5 se
describirá en mayor detalle una configuración de este tipo, y podrá
utilizarse como un aparato de medición de contorno.
El aparato de la invención (1) comprende un
bastidor de medición (4). Dicho bastidor de medición (4) se
considerará como un mundo exterior fijo, y para ello se mantiene
preferentemente lo más estacionariamente posible. Independientemente
a dicho bastidor de medición (4), una plataforma (3) puede moverse
con respecto a dicho bastidor de medición (4). Un dispositivo
giratorio (2) está dispuesto en la plataforma (3), por ejemplo, un
detector de distancia de escaneo de contorno. En la figura 1, se
muestra que la plataforma (3) puede moverse en dos direcciones
ortogonales (indicadas mediante las flechas -R- y -Z-). Los sistemas
de guía precisos de la plataforma (3) no se muestran, aunque se
mostrarán de manera adicional haciendo referencia a los siguientes
dibujos. El aparato comprende dos dispositivos de medición de
distancia independientes (5), (6) para medir en direcciones
ortogonales una distancia (R) y una distancia (Z), respectivamente,
entre dicha plataforma (3) y dicho bastidor de medición (4).
Preferentemente, los dispositivos de medición de distancia (5), (6)
son interferómetros heterodinos, aunque también puede utilizarse
otro tipo de dispositivos de medición de distancia sin contacto, por
ejemplo, interferómetros de luz blanca o interferómetros de
distancia absoluta. La figura 1 muestra que la superficie de
medición predeterminada, con respecto a la cual se realiza una
medición de distancia, consiste en una superficie de medición
reflectante (7) de dicho elemento giratorio (2). De manera
específica, con la forma de un detector de distancia de escaneo de
contorno giratorio, la invención permite situar el detector (2) de
manera generalmente ortogonal con respecto a una superficie a
medir, de modo que no se pierde una señal de medición reflejada,
sino que puede ser captada de manera adecuada por el detector de
distancia de escaneo de contorno (2). De manera específica, la
invención permite una medición directa en el propio detector
giratorio (2). Gracias a esto, no se introducen errores
posicionales, por ejemplo, a través de un cojinete (8) que conecta
giratoriamente dicho elemento giratorio (2) a dicha plataforma (3)
o a través de imprecisiones en la disposición de la plataforma (3).
De este modo, el aparato (1) de la invención permite una precisión
de medición ultra precisa, del orden de nm.
La figura 1 muestra además que el dispositivo
giratorio (2) tiene una forma cilíndrica. En esta configuración,
todos los movimientos se producen en un único plano, y los giros
solamente se producen en un eje de giro en una dirección
perpendicular a dicho plano. Una configuración de este tipo ofrece
una buena precisión en la disposición y estabilidad. Otras formas,
tales como las formas esféricas, permiten giros en otras
direcciones. Además, haciendo referencia a la figura 3, se trata
una forma poliédrica regular. El dispositivo giratorio (2), que
tiene una superficie reflectante (7), está comprendido en un
alojamiento (no mostrado) dispuesto en dicha plataforma (3). Dicho
alojamiento comprende un cojinete (8), tal como un cojinete de aire
o similar. Para una medición de posicionamiento precisa, del orden
de nm, del dispositivo giratorio (2), la superficie reflectante (7)
forma una parte fija con respecto a dicho segundo dispositivo (2),
por ejemplo, mediante la formación de una parte integral con el
dispositivo (2). Además, unos elementos de enfoque (9) están
incorporados para dirigir luz desde dicho primer dispositivo de
medición de distancia hacia dicha superficie de medición
reflectante (7), de modo que un haz de luz reflectante emana
virtualmente del eje central de dicho dispositivo giratorio (2). Un
haz de luz de este tipo se origina desde una disposición de láser
heterodino (10), que sustancialmente produce luz con dos longitudes
de onda próximas, tal como es ampliamente conocido en la
técnica.
En la realización mostrada en la figura 1, estos
elementos de enfoque (9) son lentes cilíndricas que, conjuntamente
con la superficie reflectante cilíndrica, forman un sistema de lente
que refleja un haz sustancialmente paralelo hacia los detectores
interferométricos (5) y (6), respectivamente.
Tal como se representa, el detector (5) está
dispuesto para medir una distancia relativa en la dirección (Z),
mientras que el detector (6) está dispuesto para medir una distancia
relativa en la dirección (R).
Además, gracias a la presencia de dichos
elementos de enfoque (9), desaparecen los desplazamientos de la
superficie reflectante de manera lateral con respecto a dicho haz,
y la detección de posición permanece virtualmente invariable a
dichos desplazamientos, tal como debe ser. Aunque el sistema de guía
de luz se explicará de manera adicional haciendo referencia a la
figura 8, a efectos de comprensión de la figura 1, el aparato según
la invención comprende una disposición interferométrica con
elementos de separación de haces (11) que se mueven conjuntamente
con la plataforma (3) a lo largo de una línea paralela a un eje (R)
o a un eje (Z), respectivamente. Los elementos de separación de
haces (11) están conectados al láser (10) y a los detectores de luz
interferométricos (5) y (6), respectivamente, a través de una
estructura de guía de luz, ilustrada esquemáticamente mediante
líneas discontinuas (12). De este modo, los recorridos de haz (13),
(14) de dicha disposición interferométrica discurren entre unos
espejos reflectantes (15), (16) respectivos que forman una
superficie de referencia en dicho bastidor de medición (4), dichos
elementos de separación de haces respectivos (11) y la superficie de
medición reflectante (7). En la realización representada en la
figura 1, una disposición interferométrica para medir una distancia
(R) a lo largo del haz (14) comprende un láser (10), un separador de
haces (11), un espejo de referencia reflectante (16), una
superficie de medición reflectante (7) y un detector
interferométrico (6). La disposición interferométrica para medir
una distancia (Z) a lo largo del haz (13) entre dicho bastidor de
medición (4) y dicha superficie de medición reflectante (7)
comprende un láser (10), un elemento de separación de haces (11),
un espejo de referencia reflectante (15), una superficie de medición
reflectante (7) y un detector interferométrico (5). Haciendo
referencia a la figura 8, se describirán particularidades
adicionales de esta configuración.
En la figura 1, las estructuras de guía de luz
desde el láser (10), a través de los separadores de haces (11)
respectivos, hacia los detectores interferométricos (5) y (6), se
muestran solo esquemáticamente mediante líneas discontinuas (12).
En la figura 2 se muestra de manera más elaborada una configuración
de guía de luz preferente, resultando evidentes asimismo las
particularidades relacionadas con un funcionamiento preferente de
la plataforma (3). La configuración de guía de luz comprende un
espejo de guía (17) y un separador de haces (18) (no polarizador)
que distribuye el haz de luz desde el láser (10) hacia los
separadores de haces (11) de las disposiciones interferométricas
(heterodinas) (R) y (Z) respectivas. Esta configuración permite que
el láser (10) y los detectores (5) y (6), respectivamente, queden
bien alineados a lo largo del eje (R), y que los detectores (5) y
(6) reciban una señal independiente de la posición (R)/(Z) de la
plataforma (3). De manera específica, los separadores de haces (11)
pueden moverse libremente a lo largo de un tramo (R) (19) y de un
tramo (Z) (20) del haz de láser, respectivamente, en paralelo con
respecto al eje (R) y al eje (Z), manteniendo al mismo tiempo
sustancialmente su posición en el haz de láser. Tal como se
explicará haciendo referencia a la figura 8, este movimiento no
introduce ningún error de detección, ya que la detección es
relativamente independiente de la distancia de dichos separadores
(11) a los espejos de referencia (15) y (16), respectivamente. En
lo que respecta al funcionamiento preferente de la plataforma (3),
la plataforma (3) se mueve con respecto a una plataforma de guía
(21) que solamente puede moverse en la dirección (R). La plataforma
(3) se mueve en la dirección (Z) con respecto a dicha plataforma de
guía (21). Dicha plataforma de guía (21) contiene una disposición
de guía de luz en forma de separador (18) y espejo de guía (17). En
el tramo (R) (19), un separador de haces (11) está posicionado en
dicha plataforma de guía (21) para separar el haz de láser desde el
tramo (R) hacia el recorrido de haz (13). En el tramo (Z) (20), un
separador de haces (11) está posicionado en la plataforma (3), y se
mueve a lo largo del tramo (Z) (20), separando al mismo tiempo la
luz desde el tramo (Z) hacia el recorrido de haz (14). Debido a que
solamente se utiliza un número limitado de espejos de separación y
de espejos de guía, puede mantenerse una alta precisión.
La figura 3 muestra una realización alternativa
de la invención. En este caso, con respecto a la realización de la
figura 2, básicamente se permite una mayor libertad en el diseño del
dispositivo de guía de luz, mediante la utilización de guías de luz
flexibles en forma de fibras (22). Estas fibras (22) permiten situar
el láser (10) y los detectores (5) y (6) en posiciones
relativamente independientes del movimiento de la plataforma.
Además, en este caso, los separadores (11) y (18) pueden disponerse
en una única plataforma (3), reduciendo los errores posicionales y
facilitando la alineación. En lo que se refiere a la configuración
interferométrica, la plataforma de guía (21) ya no se utiliza. En
lugar de la forma perfectamente circular de la sección transversal
del elemento reflectante (2), en la figura 3 se utiliza una forma
poliédrica regular, que permite obtener una superficie de reflexión
relativamente plana para los haces de medición (13) y (14). En este
caso, el haz no se refleja de manera divergente en la superficie de
medición reflectante (7), sino que discurre retornando directamente
a los separadores de haces (11) y a los espejos reflectantes
respectivos (15) y (16).
La figura 4 y la figura 5 muestran una vista
esquemática general en sección transversal y una vista en
perspectiva de un aparato de medición de contorno de superficie
(23). Dicho aparato de medición comprende un eje giratorio (24)
para montar un elemento a medir (25) (que se indica esquemáticamente
mediante la flecha circular -\theta-). El elemento a medir (25)
puede ser un elemento óptico, tal como una lente o un elemento
óptico asférico. A este respecto, el término asférico indica un
elemento que puede ser simétrico giratoriamente a lo largo de un
eje de giro (26) del eje (24), pero que se desvía de una forma
esférica a lo largo de un contorno radial, indicado mediante la
referencia (27). No obstante, el elemento asférico (25) puede no ser
simétrico giratoriamente, tal como se explicará de manera adicional
más adelante. Sobre dicho eje giratorio (24), está dispuesto un
detector de distancia de escaneo de contorno (2), y puede girar,
indicándose esquemáticamente mediante el ángulo de giro
(\varphi). El detector de distancia (2) mide una distancia (s) con
respecto a una posición seleccionada en una superficie de un
elemento (25) montado en dicho eje (24). Tal como se indica
esquemáticamente, mediante unos elementos de medición/referencia
(28) (preferentemente sin contacto), se mide la posición del eje
(24) con respecto al bastidor de medición (4). Además, se mide la
desviación radial del eje. Para detectar además la inclinación del
elemento (25) con respecto a dicho eje (24), dicho eje (24)
comprende una superficie de referencia adicional (no mostrada). De
esta manera, el bucle de medición se cierra, relacionando todas las
posiciones en el elemento (25) directamente con el bastidor de
medición (4), de modo que se conoce la posición relativa del
elemento (25) con respecto a dicho bastidor de medición (4). Dado
que dicha alineación de medición/referencia es conocida en la
técnica, no se explicará de manera más detallada. El ángulo de giro
(\varphi) del detector de distancia (2) se conoce mediante un
dispositivo de medición de giro, indicado esquemáticamente en las
figuras 1-3 mediante la referencia
(29).
(29).
A partir de la figura 4, puede deducirse que
todas las posiciones medidas con respecto a un bastidor de medición
(4) son conocidas. Mediante el aparato (1) según la invención, puede
obtenerse el contorno de superficie de un elemento (25) sin
introducir errores de Abbe debidos a la alineación, ya que se puede
medir la posición del detector de distancia giratorio (2)
realizando la medición directamente en una superficie de medición
(7) dispuesta en dicho detector de distancia giratorio (2). A
efectos de eliminar más errores de medición, el aparato (1) está
montado en unos pilares amortiguadores (30) que permiten obtener un
entorno de medición relativamente libre de vibraciones.
La figura 6 muestra una realización preferente
del detector de escaneo de contorno de superficie (2). El detector
comprende una disposición de dos partes, con una parte
interferométrica (31) (heterodina) para realizar una medición real
de una diferencia de recorrido óptico entre un tramo de referencia
(32) y un tramo de medición (33); y una parte de auto foco (34),
tal como se explicará de manera adicional más adelante.
El tramo de medición (33) discurre a través de
la parte de auto foco (34), y se refleja en una superficie de
escaneo (35) que forma parte de un elemento a medir. La medición de
la diferencia de recorrido óptico entre el tramo de medición (33) y
el tramo de referencia (32) en la parte interferométrica (31)
permite obtener una precisión de sub-nanómetros del
desplazamiento de la superficie escaneada (35) con respecto a una
posición de referencia fijada a la parte interferométrica (31). El
núcleo de la disposición interferométrica (31) está formado
esencialmente por un separador de haces de polarización (36), que
está dotado de cuartos de placa lambda (37) para obtener un
recorrido de haz deseado para el haz de medición (33) y el haz de
referencia (32). La medición interferométrica se realiza
esencialmente mediante una disposición formada por el láser (10)
(que puede ser el mismo láser u otro diferente al utilizado en la
disposición de medición de distancia representada en las figuras
anteriores), el detector interferométrico (38), el separador de
haces de polarización (36), la superficie de referencia (39) y la
superficie escaneada (35).
Para mantener el haz de escaneo (33) enfocado,
se dispone una disposición de auto foco (34) en el tramo de
medición (33) para dirigir el haz de escaneo (33) hacia una posición
seleccionada en la superficie (35) del elemento (25). Para ello, la
disposición de auto foco (34) comprende un separador de haces (40)
(no polarizador) que canaliza una parte del haz de escaneo
reflejado (33) hacia una unidad de detección (41). La unidad de
detección (41) detecta una diferencia en el equilibrio y/o la
posición de un par de puntos de foco (42), para medir una
inclinación y/o el enfoque del haz de escaneo. La figura 7 muestra
los efectos de dicho enfoque y/o inclinación en las posiciones: (1)
muestra una superficie escaneada (35) enfocada con el haz de escaneo
(33) y en posición plana, con los dos puntos de detección (42)
centrados; (2) muestra la superficie escaneada (35) desenfocada,
con los dos puntos de detección (42) todavía equilibrados, pero
descentrados; (3) muestra la superficie escaneada (35) inclinada;
detectándose un desequilibrio entre los puntos de detección (42).
En la figura 7, la señal reflejada se ha representado en líneas
discontinuas.
La inclinación de la superficie escaneada (35)
puede medirse mediante dicha detección de inclinación. Dicha
inclinación puede medirse además en más direcciones, utilizando
versiones generalizadas de esta configuración con más de dos puntos
de detección (42).
Por lo demás, tal como se indica haciendo
referencia a la figura 4, la inclinación de la superficie (35)
solamente puede medirse en la dirección tangencial del eje
giratorio (24), ya que la inclinación radial se mide
(indirectamente) utilizando el dispositivo interferométrico (2). El
detector de distancia interferométrico (2) con auto foco
incorporado ofrece una medición de distancia absoluta, además de la
medición interferométrica (relativa). En otras palabras, mediante
la utilización de la detección interferométrica, se mide un
desplazamiento relativo a través de una diferencia de recorrido
óptico medida en el tramo de referencia (32) y en el tramo de
medición (33). Esto establece un contorno medido que tiene un nivel
cero no fijo. Para ello, la disposición de auto foco (34) comprende
un dispositivo de medición de distancia de foco (43), a efectos de
medir una distancia focal desde dicho detector de auto foco hasta
la superficie escaneada (38) del elemento (30). Este dispositivo
puede ser un dispositivo de medición de distancia capacitivo o un
dispositivo de medición de distancia inductivo. De manera
alternativa, puede utilizarse un elemento lineal de vidrio para
obtener una distancia absoluta con respecto a la superficie de
medición (7)/bastidor de medición (4). Por lo tanto, tal como se
muestra, el dispositivo (2) puede establecer una medición de
distancia absoluta con la precisión de la disposición de auto foco
(34), con un dispositivo de medición de distancia de foco (43); y
una medición de distancia relativa con la resolución de la
disposición interferométrica (31). Resultará evidente que el
detector de escaneo de contorno mostrado puede utilizarse además en
configuraciones no giratorias.
La figura 8 muestra la insensibilidad relativa
de desplazamientos (pequeños) de un elemento de separación de haces
(11) representado en las figuras 1-3. En la figura,
el elemento de separación de haces (11) se desplaza una distancia,
indicada mediante (d). El recorrido del haz para el elemento de
separación no desplazado (11) se representa en línea gris como el
haz de medición (M1) y el haz de referencia (R1); el recorrido del
haz para el elemento de separación desplazado se representa en
líneas negras como el haz de medición (M2) y el haz de referencia
(R2). Los haces (R1), (M1) (y los haces desplazados (R2), (M2),
respectivamente) son haces polarizados relativamente ortogonales
entre sí, y transmitidos por el láser heterodino (10). Los haces
(R1), (M1) interfieren después de girar la polarización en una
señal de pulso, que es desplazada ligeramente por el efecto Doppler
provocado por las variaciones relativas entre los dos haces. La
disposición es tal que el haz de referencia (R1) es transmitido sin
obstáculos por el separador de haces (11) hacia el detector (5). No
obstante, el haz de medición (M1), debido a su estado de
polarización ortogonal con respecto a (R1), es reflejado por el
separador de haces de polarización (11) hacia un espejo de
referencia (15). Hacia dicho espejo de referencia (15) y desde el
mismo, el haz pasa dos veces por un cuarto de placa lambda (44), lo
que en la práctica da como resultado un giro relativo de 90° de la
polarización, de modo que, en la entrada del separador de haces de
polarización (11), el haz (M1) tiene en ese momento el mismo estado
de polarización que (R1) y es transmitido sin obstáculos por el
separador de haces (11) hacia la superficie de medición (7). En su
recorrido hacia la superficie (7), el haz pasa nuevamente por un
cuarto de placa lambda (44), por la que vuelve a pasar en el
recorrido de retorno. Este doble cruce de la placa (44) da como
resultado otro desplazamiento de 90° de la polarización, que
provoca la reflexión por parte del separador de haces (11) hacia el
detector (5). En la figura 8, se muestra la manera en la que el haz
de medición (M1) y el haz de referencia (R1) se desplazan después
de un pequeño desplazamiento del separador de haces. Se muestra que
la diferencia de recorrido óptico entre el haz de referencia (-R1-,
-R2-) y el haz de medición (-M1-, -M2-) no queda afectada por dicho
desplazamiento, dando como resultado una medición de la distancia
(variaciones) entre el espejo de referencia (15) y la superficie de
medición (7) que no se ve afectada. Se deduce que la disposición de
guía de luz representada en las figuras 1-3 no
añade errores en la detección de posición, ya que la posición de los
elementos de guía de luz (11) carece relativamente de
importancia.
Aunque la invención se ha ilustrado haciendo
referencia a ciertas realizaciones preferentes, la invención no
está limitada a las mismas, sino que puede comprender variaciones y
modificaciones que no se aparten del ámbito de la invención, tal
como se define en las reivindicaciones adjuntas.
Claims (17)
1. Aparato de medición de superficie para medir
una posición en una superficie de un elemento a montar en el mismo,
que comprende:
- -
- un bastidor de medición que comprende un soporte para montar el elemento a medir;
- -
- una plataforma que comprende un dispositivo giratorio, pudiendo moverse la plataforma, como mínimo, en una primera dirección con respecto a dicho bastidor de medición; y
- -
- un dispositivo de medición de distancia sin contacto para medir en dicha primera dirección una distancia entre dicho bastidor de medición y una superficie de medición predeterminada dispuesta en dicho dispositivo giratorio,
- -
- comprendiendo además dicho dispositivo giratorio:
- -
- un segundo dispositivo de medición de distancia, para medir en una segunda dirección una segunda distancia entre dicho dispositivo y una posición seleccionada en una superficie de un elemento montado con respecto a dicho bastidor de medición; y
- -
- un dispositivo de medición de giro para medir un ángulo de giro entre dichas primera y segunda direcciones.
2. Aparato, según la reivindicación 1, en el que
dicha superficie de medición es invariable giratoriamente.
3. Aparato, según las reivindicaciones
1-2, en el que como mínimo dicho primer dispositivo
de medición de distancia comprende un interferómetro, y dicha
superficie de medición está formada por un elemento reflectante que
tiene una forma poliédrica o circular como mínimo en dicha
superficie de medición.
4. Aparato, según la reivindicación 3, en el que
dicho elemento reflectante está comprendido en un alojamiento
dispuesto en dicha plataforma, y en el que dicho elemento
reflectante está conectado directamente a dicho segundo dispositivo
de medición de distancia, comprendiendo dicho alojamiento un
elemento de enfoque para dirigir luz desde dicho primer dispositivo
de medición de distancia hacia dicho elemento reflectante, de modo
que un haz de luz reflectante emana virtualmente del eje central de
dicho elemento reflectante.
5. Aparato, según las reivindicaciones
3-4, en el que dicho elemento de enfoque es una
lente cilíndrica y dicho elemento reflectante es cilíndrico, o en
el que dicho elemento de enfoque es una lente esférica y dicho
elemento reflectante es esférico.
6. Aparato, según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores 3-5, en el que dicho
bastidor de medición comprende un espejo reflectante, y en el que
dicha plataforma comprende un elemento de separación de haces, en
el que un recorrido de haz de dicho primer interferómetro de
medición de distancia discurre directamente entre dicho espejo
reflectante, dicho elemento de separación de haces y dicho elemento
reflectante, en el que dicho elemento de separación de haces está
conectado a una fuente de luz, estando conectado además dicho
elemento de separación de haces a un detector de luz
interferométrico.
7. Aparato, según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que dicha plataforma puede
moverse en dos direcciones ortogonales, y dicha plataforma
comprende un tercer dispositivo de medición de distancia para medir
en una tercera dirección una tercera distancia entre dicha
plataforma y dicho bastidor de medición, siendo dicha tercera
dirección ortogonal a dicha primera dirección.
8. Aparato, según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, que comprende además un soporte
giratorio para montar un elemento a medir.
9. Aparato, según la reivindicación 8, en el que
dicho soporte comprende una superficie de referencia para permitir
una medición con respecto a dicho bastidor de medición.
10. Aparato, según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que dicho segundo aparato de
medición de distancia comprende:
- -
- una parte interferométrica para obtener un haz de medición interferométrico;
- -
- una parte de foco móvil para dirigir dicho haz interferométrico hacia una posición seleccionada en dicha superficie de dicho elemento;
- -
- un detector interferométrico para recibir dicho haz interferométrico desde dicha posición seleccionada y para medir una distancia entre dicha parte interferométrica y dicha posición seleccionada;
- -
- una unidad para mover automáticamente dicha parte de foco a una posición de enfoque; y
- -
- un dispositivo de medición de distancia de foco para medir una posición relativa entre dicha parte de foco y dicha parte interferométrica.
11. Aparato, según la reivindicación 10, en el
que dicho dispositivo de medición de distancia de foco comprende un
dispositivo de medición de distancia inductivo y/o capacitivo o un
elemento lineal de vidrio o similar.
12. Aparato, según la reivindicación 10, en el
que dicho dispositivo de medición de distancia de foco está
acoplado a dicho detector interferométrico a efectos de obtener un
nivel cero absoluto para una medición interferométrica realizada por
dicho detector.
13. Aparato, según la reivindicación 11, en el
que dicho dispositivo de medición de distancia de foco comprende un
dispositivo de medición de distancia para medir una distancia
relativa del interferómetro con respecto al auto foco.
14. Aparato, según las reivindicaciones
10-13, en el que dicho segundo interferómetro de
medición de distancia comprende un detector de inclinación para
detectar un nivel de inclinación de dicho elemento a medir.
15. Aparato, según la reivindicación 14, en el
que dicho detector de inclinación está dispuesto para detectar un
nivel de inclinación del elemento a medir en una dirección ortogonal
a dichas primera y segunda direcciones.
16. Aparato, según la reivindicación 14 ó 15, en
el que dicho detector de inclinación está acoplado a dicha
plataforma, a efectos de posicionar dicho segundo dispositivo de
medición de distancia de manera ortogonal con respecto a un
contorno medido de dicho elemento.
17. Método para medir una posición en una
superficie de un elemento, que comprende:
- -
- disponer un bastidor de medición;
- -
- disponer una plataforma que puede moverse con respecto al bastidor y que comprende un dispositivo que puede girar con respecto a la plataforma;
- -
- disponer una superficie de medición predeterminada en dicho dispositivo giratorio;
- -
- medir directamente en una primera dirección una primera distancia entre dicho bastidor de medición y dicha superficie de medición predeterminada dispuesta en dicho dispositivo giratorio;
- -
- medir, en una segunda dirección, una segunda distancia entre dicho dispositivo giratorio y una posición seleccionada en una superficie de un elemento montado con respecto a dicho bastidor de medición; y
- -
- medir un ángulo de giro entre dichas primera y segunda direcciones.
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