DE102004051962B4

DE102004051962B4 - Device for the interferometric measurement of the spatial coordinates of an object

Info

Publication number: DE102004051962B4
Application number: DE200410051962
Authority: DE
Inventors: Markus Dipl.-Ing. Lotz; Tobias Dipl.-Ing. Hackel; Thomas Dipl.-Ing. Frank; Günter Prof. Dr.-Ing. habil. Höhne; René Prof. Dr.-Ing. Theska
Original assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Current assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Priority date: 2004-10-26
Filing date: 2004-10-26
Publication date: 2007-08-09
Anticipated expiration: 2024-10-27
Also published as: DE102004051962A1

Abstract

Vorrichtung zur interferometrischen Messung der Raumkoordinaten eines Objektes bestehend aus drei voneinander unabhängigen Interferometern (2) und einem tetraederförmigen Messspiegel (1), dessen identische Seitenflächen als Spiegelflächen ausgebildet und vorzugsweise rechtwinklig zueinander angeordnet sind und dessen Basisseite mittel- oder unmittelbar mit- dem Objekt verbunden ist dadurch gekennzeichnet, dass die Interferometer (2) auf einer gemeinsamen festen Grundplatte (4) befestigt und so ausgerichtet sind, dass sich ihre Messstrahlen (3) in einem gemeinsamen virtuellen Schnittpunkt (S) treffen und der tetraederförmige Messspiegel (1) über eine Dreipunktauflage so im Strahlengang der Messstrahlen (3) positioniert wird, dass sich der virtuelle Schnittpunkt der Messstrahlen (S) oberhalb der Basisseite des tetraederförmigen Messspiegels (1) befindet.contraption for the interferometric measurement of the spatial coordinates of an object consisting of three independent interferometers (2) and a tetrahedral Measuring mirror (1), whose identical side surfaces designed as mirror surfaces and are preferably arranged at right angles to each other and whose Base page is directly or indirectly connected to the object characterized in that the interferometer (2) on a common fixed base plate (4) and aligned so that their measuring beams (3) in a common virtual intersection (S) meet and the tetrahedral Measuring mirror (1) via a Three-point support positioned in the beam path of the measuring beams (3) becomes that the virtual intersection of the measurement beams (S) located above the base side of the tetrahedral measuring mirror (1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum interferometrischen Messen der Raumkoordinaten eines Objektes bezüglich eines Referenzkoordinatensystems.The The invention relates to a device for interferometric measurement the spatial coordinates of an object with respect to a reference coordinate system.

Anwendung findet diese Erfindung in hochpräzisen Positionier- und Messmaschinen vornehmlich in der Mikrosystemtechnik, Halbleiterindustrie, Messtechnik u.a.application finds this invention in high precision Positioning and Measuring machines primarily in microsystems technology, semiconductor industry, metrology et al

Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Vorrichtungen zur hochpräzisen Längen- und Winkelmessung bekannt. Große Bewegungsbereiche und somit große Längendifferenzen werden vorwiegend mit Hilfe interferometrischer Verfahren unter Ausnutzung der Interferenzeffekte von Licht gemessen. Hierbei werden Messauflösungen von weniger als 1 nm erzielt. Eine Anordnung ist z.B. das Michelson-Interferometer. Dabei wird ein Lichtstrahl an einem Strahlenteiler aufgeteilt. Ein Teilstrahl wird von einem Referenzreflektor und der andere von einem Messreflektor so reflektiert, dass sie miteinander interferieren können. Durch Detektion und Auswertung der Interferenzerscheinungen lässt sich auf die Änderung der optischen Weglänge des Messreflektors bezüglich des Referenzreflektors schließen. Als Reflektoren können Spiegel, Prismen oder andere reflektierende optische Bauteile verwendet werden.Out the prior art are various devices for high-precision length and angle measurement known. Size Movement areas and thus large length differences are mainly using interferometric methods under utilization the interference effects of light measured. Here, measurement resolutions of less than 1 nm. An arrangement is e.g. the Michelson interferometer. In this case, a light beam is split at a beam splitter. One Partial beam is from a reference reflector and the other from a measuring reflector reflected so that they can interfere with each other. By Detection and evaluation of the interference phenomena can be on the change the optical path length of the measuring reflector with respect Close the reference reflector. As reflectors can Mirror, prisms or other reflective optical components used become.

Die Raumkoordinaten eines Objektes lassen sich im Allgemeinen durch einen Verschiebungsvektor zwischen dem Nullpunkt eines üblicherweise raumfesten Referenzkoordinatensystems und dem Nullpunkt eines bewegten körperfesten Koordinatensystems sowie deren Verdrehung zueinander beschreiben. Im Stand der Technik wird zur Messung der Raumkoordinaten eines Objektes, dieses zusammen mit dem aus drei planen Spiegelflächen zusammengesetzten Messspiegel bewegt, während die Interferometer ortsfest sind. Es sind aber auch Anordnungen bekannt, mit denen die Raumkoordinaten eines im Allgemeinen ortsfesten Objektes durch die Bewegung der Interferometer erfasst werden können. Dabei wird vorausgesetzt, dass die auftretenden Verdrehungen der Koordinatensysteme zueinander sehr klein sind und vernachlässigt werden können.The Spatial coordinates of an object can generally be determined by a displacement vector between the zero point of a usually spatially fixed Reference coordinate system and the zero point of a moving body-fixed Coordinate system and describe their rotation to each other. In the prior art is used to measure the spatial coordinates of a Object, this together with the composed of three plane mirror surfaces Measuring mirror moves while the interferometers are stationary. But there are also orders known, with which the space coordinates of a generally fixed Object can be detected by the movement of the interferometer. there It is assumed that the occurring distortions of the coordinate systems to each other are very small and can be neglected.

Der verwendete Messspiegel kann monolithisch oder mehrteilig sein. Er besitzt drei zueinander senkrechte Spiegelflächen, welche in ihrer Lage zueinander unveränderlich sind und ein kartesisches System bilden. Die Spiegelfläche zur Bestimmung der vertikalen Position (z-Richtung) liegt horizontal (x-y-Richtung) und senkrecht zu einem Werkzeug, mit dem das zu vermessende Objekt bearbeitet werden soll und/oder zu einem zusätzlichen Messsystem, mit dem die Größe, die Lage o.a. des Objektes ermittelt werden sollen (z-Richtung). Die Spiegelflächen zur Bestimmung der horizontalen Position (x- und y-Richtung) stehen vertikal (y-z-Ebene bzw. x-z-Ebene).Of the used measuring mirror can be monolithic or multi-part. He has three mutually perpendicular mirror surfaces, which in their position immutable to each other are and form a Cartesian system. The mirror surface for Determination of the vertical position (z-direction) is horizontal (x-y-direction) and vertical to a tool that handles the object to be measured and / or to an additional measuring system with which the size, the Location o.a. of the object to be determined (z-direction). The mirror surfaces to determine the horizontal position (x and y direction) are vertical (y-z plane or x-z plane).

Aus der DD 234 070 ist z.B. eine interferometrische Mehrkoordinatenmesseinrichtung bekannt, bei der die zwei bzw. drei verwendeten Interferometer so angeordnet sind, dass zwischen den Messstrahlen der Interferometer ein gegenseitiger Winkel von 90° eingestellt ist und den Messstrahlen im Falle einer Zweikoordinatenmesseinrichtung ebene Langspiegel bzw. im Falle einer Dreikoordinatenmesseinrichtung ebene Flächenspiegel zugeordnet sind.Out the DD 234 070 is e.g. an interferometric multi-coordinate measuring device in which the two or three interferometers used are known are arranged that between the measuring beams of the interferometer set a mutual angle of 90 ° is and the measuring beams in the case of a two-coordinate measuring device level long mirror or in the case of a three-coordinate measuring device flat surface mirrors assigned.

Die Position der Interferometer, die über ein Gestell miteinander verbunden sind, ergibt sich aus der Lage der Spiegelflächen und entspricht daher gleichfalls einer kartesischen Anordnung. Außerdem ist an dem Gestell das Werkzeug bzw. das zusätzliche Messsystem befestigt. Zur Vermeidung von Fehlern erster Ordnung nach Abbe werden die Interferometer so ausgerichtet, dass sich ihre Laserstrahlen virtuell in einem Punkt treffen. Zusätzlich benötigte Werkzeuge oder Messsysteme für das Objekt werden so angeordnet, dass sich die Werkzeugspitze bzw. der Messpunkt des zusätzlichen Messsystems ebenfalls in diesem virtuellen Schnittpunkt der Laserstrahlen befindet.The Position of the interferometer, over a rack with each other are connected, results from the location of the mirror surfaces and therefore also corresponds to a Cartesian arrangement. Besides that is attached to the frame, the tool or the additional measuring system. To avoid first-order errors after Abbe, the interferometers aligned so that their laser beams virtually in one Meet point. additionally needed tools or measuring systems for the object are arranged so that the tool tip or the measuring point of the additional Measuring system also in this virtual intersection of the laser beams located.

Aufgrund ihrer kartesischen Anordnung können die Interferometer und das Werkzeug/zusätzliche Messsystem nicht auf einer gemeinsamen Grundplatte positioniert werden, wodurch der aus dem Messspiegel, den Interferometern und dem Gestell bestehende Messkreis sehr groß ist und demzufolge insbesondere im Nanometerbereich Messungenauigkeiten und zusätzliche Fehlerquellen auftreten, da durch den langen Kraftfluss die statischen, dynamischen und thermischen Eigenschaften des Messkreises verschlechtert werden. Des weiteren ergibt sich aus der Anordnung der Spiegelflächen der Nachteil, dass das Volumen, in welches das zu vermessende Objekt eingebracht wird, durch die Spiegelflächen begrenzt ist und es zu Kollisionen zwischen dem Messspiegel und dem Werkzeug/zusätzlichem Messsystem kommen kann.by virtue of of their Cartesian arrangement the interferometer and the tool / additional measuring system does not work a common base plate are positioned, whereby the from the Measuring mirror, the interferometer and the frame existing measuring circuit is very big and consequently measurement inaccuracies, especially in the nanometer range and additional Sources of error occur, since the long power flow causes the static, dynamic and thermal properties of the measuring circuit deteriorates become. Furthermore, the arrangement of the mirror surfaces results in the disadvantage that the volume into which the object to be measured is introduced is through the mirror surfaces is limited and there are collisions between the measuring mirror and the tool / additional Measuring system can come.

Diese Messspiegel sind in ihrem Aufbau asymmetrisch. Dies erschwert wesentlich ihre Fassung und die Aufnahme von Objekten. Durch die asymmetrische Anordnung der Spiegelflächen werden zudem deren asymmetrische Verformungen hervorgerufen und die Messeigenschaften des Systems verschlechtert.These Measuring mirrors are asymmetrical in their construction. This makes it much more difficult their version and the inclusion of objects. By the asymmetric Arrangement of the mirror surfaces In addition, their asymmetric deformations are caused and the measuring properties of the system deteriorates.

Aus der US 2002/0011576 A1 ist aber auch ein Messspiegel zur interferometrischen Messung der Raumkoordinaten eines Objektes bekannt, der aus drei planen, tetraederförmig angeordneten Spiegelflächen besteht, wobei die Spiegelflächen die Seitenflächen des Tetraeders bilden und der von den Spiegelflächen eingeschlossene Winkel immer gleich groß ist und das zu vermessende Objekt mittel- oder unmittelbar mit der Basisseite des Tetraeders verbunden ist.From US 2002/0011576 A1 but also a measuring mirror for interferometric measurement of the spatial coordinates of an object is known, which consists of three planar, tetrahedral-shaped mirror surfaces, wherein the mirror surfaces are the Sei form tenflächen of the tetrahedron and the angle enclosed by the mirror surfaces is always the same size and the object to be measured is directly or indirectly connected to the base side of the tetrahedron.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Vorrichtung zur Messung der Raumkoordinaten eines Objektes bereitzustellen, mit der es gelingt, die Messungenauigkeiten zu minimieren und auch im Nanometerbereich hochpräzise Raumkoordinaten zu ermitteln.task It is therefore an object of the present invention to provide a device for To provide measurement of the spatial coordinates of an object, with which manages to minimize the measurement inaccuracies and also in the Nanometer range high precision To determine spatial coordinates.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit der in Anspruch 1 beschriebenen Vorrichtung gelöst.According to the invention Problem solved by the device described in claim 1.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben.advantageous Embodiments of the device according to the invention are in the Subclaims specified.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:The The invention is explained in more detail below with reference to drawings. In the accompanying drawings demonstrate:

1 – prinzipieller Aufbau des erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 - basic structure of the device according to the invention

2 – prinzipieller Aufbau einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung der Raumkoordinaten eines Objektes 2 - Basic structure of a first embodiment of the device according to the invention for measuring the spatial coordinates of an object

3 – prinzipieller Aufbau einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung der Raumkoordinaten eines Objektes 3 - Principal structure of a second embodiment of the device according to the invention for measuring the spatial coordinates of an object

4 – prinzipieller Aufbau einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung der Raumkoordinaten eines Objektes 4 - Principal structure of a third embodiment of the device according to the invention for measuring the spatial coordinates of an object

Um die geforderte Messgenauigkeit auch im Nanometerbereich zu gewährleisten, müssen mögliche Fehlerquellen am Messkreis, bestehend aus drei Interferometern, einem Gestell und einem Messspiegel, eliminiert werden. Dazu werden, wie in der 2 dargestellt, alle drei Interferometer (2) auf einer festen Grundplatte (4) in einer Ebene positioniert und so ausgerichtet, dass mit ihren Messstrahlen (3) drei voneinander unabhängige Koordinaten ermittelt werden können und sich ihre Messstrahlen (3) zur Vermeidung von Fehlern erster Ordnung nach Abbe in einem gemeinsamen virtuellen Punkt (S) treffen. Vorzugsweise schließen die Messstrahlen (3) dabei jeweils einen Winkel von 90° ein.In order to ensure the required measuring accuracy even in the nanometer range, possible sources of error at the measuring circuit, consisting of three interferometers, a frame and a measuring mirror, must be eliminated. For this purpose, as in the 2 shown, all three interferometers ( 2 ) on a solid base plate ( 4 ) are positioned in a plane and aligned so that with their measuring beams ( 3 ) three independent coordinates can be determined and their measuring beams ( 3 ) to avoid first-order errors after Abbe in a common virtual point (S). Preferably, the measuring beams close ( 3 ) in each case an angle of 90 °.

In Abhängigkeit von der Positionierung und Ausrichtung der Interferometer (2) auf der festen Grundplatte (4) werden nun auch die einzelnen Spiegelflächen senkrecht zu den jeweils einfallenden Messstrahlen (3) angeordnet. Daraus ergibt sich die in 1 dargestellte tetraederförmige Anordnung der Spiegelflächen, wobei die Spiegelflächen ebenfalls vorzugsweise jeweils einen Winkel von 90° einschließen. Damit wird eine identische Messauflösung in allen drei Achsen realisiert. Andere Winkel zwischen den Spiegelflächen sind unter Beibehaltung eines gemeinsamen virtuellen Schnittpunktes der Laserstrahlen möglich. Die Winkel zwischen den Spiegelflächen und die Form und Größe der Spiegelflächen sind bei allen drei Seitenflächen identisch. Das zu vermessende Objekt ist mittel- oder unmittelbar mit der Basisseite des Tetraeders verbunden.Depending on the positioning and orientation of the interferometer ( 2 ) on the fixed base plate ( 4 ), the individual mirror surfaces perpendicular to the respective incident measuring beams ( 3 ) arranged. This results in the 1 shown tetrahedral arrangement of the mirror surfaces, wherein the mirror surfaces also preferably each enclose an angle of 90 °. This implements an identical measurement resolution in all three axes. Other angles between the mirror surfaces are possible while maintaining a common virtual intersection of the laser beams. The angles between the mirror surfaces and the shape and size of the mirror surfaces are identical for all three side surfaces. The object to be measured is connected directly or indirectly to the base side of the tetrahedron.

Wie in 2 dargestellt, ist in einer bevorzugten Ausführungsform die Tetraederspitze des Messspiegels (1) nach unten gerichtet. Die drei Interferometer (2) können hierbei auf einer festen Grundplatte (4) unterhalb des Objektes positioniert und befestigt werden. Der virtuelle Schnittpunkt der Messstrahlen (S), d.h. der Messpunkt, befindet sich in diesem Fall oberhalb der obenliegenden Basisseite des Messspiegels (1). Die Werkzeugspitze eines Werkzeuges oder der Messpunkt eines zusätzlichen Messsystems (7) werden von oben an den virtuellen Schnittpunkt der Messstrahlen (S) herangeführt. Vorteil dieses Ausführungsbeispieles ist, dass die laterale Dimension des Objektes beliebig sein kann. Es treten keine durch den Messspiegel bedingten Kollisionen auf.As in 2 is shown, in a preferred embodiment, the tetrahedral tip of the measuring mirror ( 1 ) directed downwards. The three interferometers ( 2 ) can in this case on a fixed base plate ( 4 ) are positioned below the object and fastened. The virtual intersection of the measuring beams (S), ie the measuring point, is in this case above the upper base side of the measuring mirror (FIG. 1 ). The tool tip of a tool or the measuring point of an additional measuring system ( 7 ) are brought from above to the virtual intersection of the measuring beams (S). Advantage of this embodiment is that the lateral dimension of the object can be arbitrary. There are no collisions caused by the measuring mirror.

In 3 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt. Hierbei zeigt die Spitze des rechtwinkligen Tetraeders nach oben. Daher sind die Interferometer (2) oberhalb des zu vermessenden Objektes angeordnet. Der Messspiegel (1) muss in diesem Ausführungsbeispiel eine geeignete Kavität an seiner Spitze aufweisen, so dass das mit der Basisseite des tetraederförmigen Messspiegels (1) verbundene Objekt und die Werkzeugspitze/der Messpunkt des zusätzlichen Messsystems (7) in dem virtuellen Schnittpunkt der Messstrahlen (S) positioniert werden können. Vorteil dieses Ausführungsbeispiels ist, dass sowohl die Interferometer (2) als auch das Werkzeug/zusätzliche Messsystem (7) auf einer gemeinsamen festen Grundplatte (4) montiert werden können. Allerdings wird hierbei die laterale Größe des Objektes durch den Messspiegel beschränkt. Zur Überwindung dieses Nachteils können die Messstrahlen (3) der auf einer festen Grundplatte (4) zusammen mit dem Werkzeug/zusätzlichen Messsystem (7) befestigten Interferometer (2) mit Hilfe von Spiegelsystemen (8) so abgelenkt werden, dass sich ihr virtueller Schnittpunkt (S) oberhalb der Basisseite des mit seiner Spitze nach unten gerichteten tetraederförmigen Messspiegels (1) befindet (4).In 3 a second embodiment of the device according to the invention is shown. Here, the tip of the right-angled tetrahedron points upwards. Therefore, the interferometers ( 2 ) arranged above the object to be measured. The measuring mirror ( 1 ) must have a suitable cavity at its tip in this embodiment, so that with the base side of the tetrahedral measuring mirror ( 1 ) and the tool tip / measuring point of the additional measuring system ( 7 ) can be positioned in the virtual intersection of the measuring beams (S). Advantage of this embodiment is that both the interferometer ( 2 ) as well as the tool / additional measuring system ( 7 ) on a common fixed base plate ( 4 ) can be mounted. However, in this case the lateral size of the object is limited by the measuring mirror. To overcome this disadvantage, the measuring beams ( 3 ) on a fixed base plate ( 4 ) together with the tool / additional measuring system ( 7 ) attached interferometer ( 2 ) with the help of mirror systems ( 8th ) are deflected so that their virtual intersection point (S) is located above the base side of the tetrahedral measuring mirror pointing downwards (FIG. 1 ) ( 4 ).

Der Messspiegel (1) ist achsensymmetrisch. Da sein Schwerpunkt genau in der Mitte des Spiegels liegt, ist eine stabile Dreipunktaufnahme möglich. Dadurch wird ein Wegkippen nach der einen oder anderen Seite vermieden.The measuring mirror ( 1 ) is axisymmetric. Since its center of gravity is exactly in the middle of the mirror, a stable three-point recording is possible. There by a tipping to one side or the other is avoided.

Vorteilhaft wirkt sich gleichfalls die identische Bauform und Größe der drei Spiegelflächen aus. Ihre Herstellung kann vereinfacht und somit die Kosten dafür minimiert werden.Advantageous also affects the identical design and size of the three mirror surfaces out. Their manufacture can be simplified and thus the costs for it minimized become.

11: Messspiegelmeasuring levels
22: Interferometerinterferometer
33: Messstrahlen der Interferometermeasuring beams the interferometer
44: feste Grundplattefirm baseplate
55: Befestigungselemente der Interferometerfasteners the interferometer
66: Aussparungen für die Dreipunktauflage des Messspiegelsrecesses for the Three-point support of the measuring mirror
77: Aufnahmevorrichtung für eine Werkzeugspitze bzw. für ein zusätzliches Messsystemcradle for one Tool tip or for an additional measuring system
88th: Spiegelsystem, ablenkende SpiegelMirror system distracting mirrors
SS: virtueller Schnittpunkt der Messstrahlenvirtual Intersection of the measuring beams

Claims

Device for the interferometric measurement of the spatial coordinates of an object consisting of three independent interferometers ( 2 ) and a tetrahedral measuring mirror ( 1 ) whose identical side surfaces are formed as mirror surfaces and are preferably arranged at right angles to one another and whose base side is connected directly or indirectly to the object, characterized in that the interferometers ( 2 ) on a common fixed base plate ( 4 ) and are aligned so that their measuring beams ( 3 ) in a common virtual intersection (S) and the tetrahedral measuring mirror ( 1 ) via a three-point support so in the beam path of the measuring beams ( 3 ) is positioned so that the virtual intersection of the measuring beams (S) above the base side of the tetrahedral measuring mirror ( 1 ) is located.

Apparatus according to claim 1, characterized in that the tip of the tetrahedral measuring mirror ( 1 ) is directed downwards and the interferometers ( 2 ) on a solid base plate ( 4 ) are arranged below the measuring mirror.

Apparatus according to claim 1, characterized in that the tip of the tetrahedral measuring mirror ( 1 ) is directed downwards and the interferometers ( 2 ) and an additional tool and / or measuring system ( 7 ) on a solid base plate ( 4 ) above the measuring mirror ( 1 ) are arranged and the measuring beams of the interferometer ( 3 ) via a mirror system ( 8th ) are deflected so that their common virtual intersection point (S) is located above the base side of the tetrahedral measuring mirror.

Apparatus according to claim 1, characterized in that the tip of the tetrahedral measuring mirror ( 1 ) is directed upwards and the interferometers ( 2 ) on a solid base plate ( 4 ) are arranged above the measuring mirror, wherein the measuring mirror ( 1 ) has at its tip a measuring object receiving cavity whose axis of symmetry is preferably perpendicular to the base side of the tetrahedron.

Apparatus according to claim 4, characterized in that on the fixed base plate ( 4 ) an additional tool and / or additional measuring system ( 7 ) are attached.