The measurement of length is one of the most common tasks in research and industry. In order to satisfy the highest requirements, which occur for example at the determination of dimensions of semiconductor structures, length measurements have to be performed with uncertainties of only a few nanometer. 

The Nanometer Comparator was developed in collaboration of PTB, Dr. Johannes Heidenhain GmbH and Werth Meßtechnik GmbH to provide a highly accurate traceability to the units of length and to allow fundamental investigations of the detection of geometrical structures. Designated measurement objects, which may have a measurement range up to 610 mm, are photo masks, linear encoders, line scales, and interferometers. It is intended to achieve a measurement uncertainty of 5 nm over the full range.

Figure 1: A picture of the Nanometer Comparator

Figure 1 shows a picture of the Nanometer Comparator. The instrument is located in an air-conditioned measurement room (temperature stability of 0.1oC). In such rooms the achievable calibration uncertainty is normally determined by the correction of the wavelength in air ( refractive index of air). The operation of the whole instrument in vacuum does not lead to the lowest possible uncertainty in traceable length measurements because the length measurement systems currently used operate only very rarely in vacuum and because the compressibility of the scales that have to be calibrated is not known sufficiently accuratly. Thus, the currently lowest possible measurement uncertainty will only be achieved if the interferometer is located in vacuum. Therefore a metal bellow was introduced between the beam splitter of the interferometer and the movable measurement reflector.
A schematics of the instrument is shown in fig. 2. The comparator is based on a granite bed. The displacement of the scales is provided by a carriage with air bearings which is driven by a linear motor. The interferometer head that includes the beam splitter as well is located in a vacuum chamber which is mounted on the granite. Starting from this chamber the metal bellow goes to a tracking carriage. A second metal bellow leads from here to the measurement carriage so that the interferometer beam is completely located in vacuum. In order to avoid the introduction of the bellow forces to the measurement carriage the distance of both carriages is kept constant by a controller.
Different systems for the structure localization can be connected to an universal mounting plate of a massive bridge over the measurement carriage. At the time of implementation of the Nanometer Comparator incremental detectors and two photoelectric microscopes are available for this purpose. It is planned to investigate further structure localization methods at a later time. Each air bearing is equipped with a piezo translator which is used by a controller to reduce the intrinsic guidance deviations even further.

Figure 2 : Principle of the Nanometer Comparator

Literature

J. Flügge, H. Dangschat, A. Spies, J. Tschirnich, H. Pieles : Concept of a interferometric length comparator with measurement uncertainties in the nanometer scale, Tagungsband 1. Euspen Conference, Bremen Mai 1999

J. Flügge, G. Dai : Design of the temperature measurement and control system at the PTB nanometer comparator, Tagungsband 1. Euspen Topical Conference, Copenhagen, Mai 2000

Winkelmesssysteme (Drehgeber) werden in Anwendungen eingesetzt, die eine genaue Erfassung von Winkeln benötigen, wie z.B. in Rundtischen von Werkzeugmaschinen, Zahnradmessmaschinen oder Teleskopen. Unter dem Messsystem versteht man die gesamte Messkette, die aus Teilkreis, Abtastkopf, Interpolationselektronik und Zähler besteht. Bei Winkelmesssystemen mit Eigenlagerung und ohne Statorkupplung gehört bei Präzisionsdrehgebern auch eine externe Kupplung zum Messsystem. Die angewendeten Messprinzipien sind induktiv, magnetisch oder photoelektrisch, wobei das photoelektrische Verfahren abbildend oder interferentiell arbeitet. Bei der Kalibrierung von Drehgebern werden in der PTB die Abweichungen der Teilungswinkel vom Nennwert bestimmt.

Die Kalibrierung von Drehgebern erfolgt in der PTB durch direkte Vergleichsmessung zu einem der Winkelkomparatoren WMT 220 oder WMT 905. Dabei wird der Drehgeber auf einer Brücke über dem Winkelkomparator aufgebaut und mit diesem fest verbunden.

Die Kalibrierungen können sowohl dynamisch als auch als Step-by-Step Messung erfolgen. Zur Verbesserung der Messunsicherheit erfolgen die Kalibrierungen in verschiedenen Relativlagen zwischen dem WMT und dem Kalibriergegenstand. Zur Erzielung möglichst geringer Messunsicherheiten werden Fehlertrennverfahren eingesetzt.

Winkelmesstische sind Geräte zur Messung des ebenen Winkels auf Grundlage einer Kreisteilung. Die Tische bestehen aus rotatorischen Lagern mit integriertem Antriebs- und Messsystem. Als Lager kommen beispielsweise Luftlager, Gleitlager usw. zur Anwendung. Bei den Antriebssystemen unterscheidet man motorische oder manuelle Systeme, bei den Messsystemen kann nach den Messprinzipien in elektrische und optisch-visuell arbeitende Systeme unterschieden werden.

Bei der Kalibrierung von Winkelmesstischen werden in der PTB die Abweichungen der Teilungswinkel vom Nennwert bestimmt. Die Kalibrierung erfolgt entweder durch direkte Vergleichsmessung zu einem Spiegelpolygon unter Zuhilfenahme eines Autokollimators oder durch Vergleichsmessung zu dem Winkelkomparator WMT 905 unter Zuhilfenahme eines Messspiegels und eines Autokollimators.

Zur Verbesserung der Messunsicherheit erfolgen die Kalibrierungen in verschiedenen Relativlagen zwischen dem WMT und dem Kalibriergegenstand. Zur Erzielung möglichst geringer Messunsicherheiten werden Fehlertrennverfahren eingesetzt.

Optische Teilköpfe sind Geräte zur Messung des ebenen Winkels auf Grundlage einer Kreisteilung. Optische Teilköpfe arbeiten optisch-visuell, wobei das Messsystem aus einer Strichteilscheibe und einem Messmikroskop besteht. Die Strichteilscheibe ist auf einer mechanisch gelagerten Präzisionsspindel befestigt.

Bei der Kalibrierung von optischen Teilköpfen können die Abweichungen der Teilungswinkel vom Nennwert durch die Vergleichsmessung zu einem Spiegelpolygon unter Zuhilfenahme eines Autokollimators bestimmt werden.

Mit Winkelindextischen können keine Winkel gemessen, sondern nur bestimmte Winkel einer Kreisteilung in diskreten Schritten eingestellt werden. Indextische bestehen aus zwei Teilen, die beide mit einer Planarverzahnung versehen sind. Für eine Winkelverstellung wird der obere Teil des Tisches definiert angehoben, um ihn danach zu verdrehen und in die Verzahnung des unteren Teils abzusenken. Indextische besitzen im allgemeinen an ihrem Umfang eine Winkelskalierung, die zur Einstellung von definierten Winkeln mit einem Nonius unterteilt ist. Die Teilung von Indextischen ist definiert über die Anzahl von Zähnen der Planarverzahnung. Für einen Indextisch mit n = 1440 Zähnen ergibt sich die Teilung: φ = 360° / n = 0,25°. 

Bei der Kalibrierung von Indextischen werden in der PTB die Abweichungen der Teilungswinkel vom Nennwert bestimmt. Die Kalibrierung erfolgt entweder durch direkte Vergleichsmessung zu einem Spiegelpolygon unter Zuhilfenahme eines Autokollimators oder durch Vergleichsmessung zu dem Winkelkomparator WMT 905 unter Zuhilfenahme eines Messspiegels und eines Autokollimators.

Zur Verbesserung der Messunsicherheit erfolgen die Kalibrierungen in verschiedenen Relativlagen zwischen dem WMT und dem Kalibriergegenstand. Zur Erzielung möglichst geringer Messunsicherheiten werden Fehlertrennverfahren eingesetzt.

Autokollimatoren (AK) sind Winkelmessgeräte zur Erfassung der Kippung einer reflektierenden ebenen Fläche, die nach folgendem Prinzip funktionieren:
Als Messmarke dient ein beleuchteter Spalt, der sich in der Brennebene eines Kollimatorobjektivs befindet und von diesem ins Unendliche abgebildet wird. Nach der Reflexion des austretenden parallelen Lichtstrahls an einer optischen Planfläche wird mittels eines Strahlteilers ein Bild des Spalts erzeugt. Die laterale Verlagerung Δy des Spaltbildes kann photoelektrisch oder visuell erfasst werden und ist proportional zum Tangens des zweifachen Kippwinkels α der reflektierenden Fläche gemäß der Beziehung

Δy = f tan 2α wobei als Faktor f die Brennweite des Kollimatorobjektivs eingeht. Häufig haben Autokollimatoren zwei Messachsen, mit denen man den Kippwinkel der Planfläche in zwei zueinander senkrechten Ebenen messen kann. In der PTB können Autokollimatoren in beiden Messachsen kalibriert werden, in dem die Abweichungen der Teilungswinkel vom Nennwert ermittelt werden. Die Kalibrierung in der PTB erfolgt als direkte Vergleichsmessung auf den Winkelkomparatoren WMT 220, WMT 905 oder gegen einen zweiten Autokollimator.

Die Kalibrierung von Autokollimatoren erfolgt als statische Messung, d.h. in einem definierten Messbereich werden eine definierte Anzahl von Messpunkten angefahren, der WMT wird angehalten, Messwerte von beiden Messsystemen werden gespeichert um danach in die nächste Position zu fahren. Bei elektronischen Autokollimatoren laufen die Kalibrierungen PC-gesteuert ab, d.h. die Positionierung des WMT, die Messwerterfassung und die Durchführung von Wiederholungsmessungen erfolgt automatisch. Zur Verringerung der Messunsicherheit der Kalibrierung werden Wiederholungsmessungen in beiden Messrichtungen und in unterschiedlichen Relativlagen zum WMT durchgeführt.

Die Kalibrierung kann wahlweise über den gesamten oder beliebige Teilmessbereiche in unterschiedlichen Messschritten erfolgen. Der kleinstmögliche Messpunktabstand kann bei 1/100 Winkelsekunde liegen.

Erst die möglichst genaue Übereinstimmung der Mess- und Kalibrierbedingungen ermöglicht den Transfer der Kalibrierergebnisse des Messsystems in die Messumgebung des Anwenders mit möglichst geringen Messunsicherheiten. Die Kalibrierung kann gegen verspiegelte und unverspiegelte Planspiegel, unter der vollen Nutzung der Autokollimator-Apertur oder mit Blenden zur Begrenzung der Apertur erfolgen. Die Blendenpositionen (entlang des / orthogonal zum Autokollimator-Strahlengang), Blendengrößen und -formen sollten zwischen dem Anwender und dem Kalibrierlabor genau definiert sein.

Für weitere Informationen zur Kalibrierung von Autokollimatoren auf dem Winkelkomparator WMT 220:

• Calibration of high-resolution electronic autocollimators against an angle comparator; Metrologia 40 (2003), 288-294
• Poster

Winkelinterferometer messen im so genannten Heterodyn-Betrieb die Modulation der Laserfrequenz im Messstrahl durch den bewegten Messspiegel im Vergleich zu einem unmodulierten Referenzstrahl. Bei Winkelinterferometern wird durch die Differenzmessung (Längenmessung) zwischen zwei benachbarten parallelen Messstrahlen eine Winkelmessung abgeleitet, wobei der Abstand zwischen den beiden Messstrahlen als Basislänge in den Betrag des Ablenkwinkels eingeht. Die Kalibrierung von Winkelinterferometern erfolgt in der PTB durch direkte Vergleichsmessung auf dem Winkelkomparator WMT 905.

Neigungsmessgeräte sind Winkelmessgeräte zur Erfassung der Kippung um eine Achse. In einem Gehäuse ist ein Pendelstab aufgehängt, dessen Referenz das Lot (Gravitationsfeld der Erde) ist. Eine Verkippung des Gehäuses um den zu messenden Winkel wird über den Pendelausschlag mit einem Wegmesssystem registriert. Die Kalibrierung von Neigungsmessgeräten kann mit Autokollimatoren, Sinuslinealen oder mit Winkelmesssystemen mit horizontaler Drehachse durchgeführt werden.

Theodolite dienen zur Messung von Winkeln, die von Visierlinien eingeschlossen werden. Ein Fernrohr in Verbindung mit einem horizontal und einem vertikal gelagerten Teilkreis kann um beide Achsen geschwenkt werden. Neben der Verwendung in der Landvermessung kann der Theodolit in Verbindung mit einem Kollimator als Verkörperung eines unendlichen Ziels auch im Maschinenbau zur Teilungs- und Winkelmessung verwendet werden. Die Kalibrierung des horizontalen Teilkreis kann als direkte Vergleichsmessung auf dem Winkelkomparator WMT 905 durchgeführt werden.