Logo der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt

Upgrade des Nanometerkomparators zur Messung von Geradheit an Teilungen

01.12.2013

Um neben der Längenabweichung auch die Geradheit von Teilungen kalibrieren zu können wurde der Nanometerkomparator mit einem neu entwickelten Heterodyn-Interferometer ausgestattet. Das Planspiegelinterferometer basiert auf räumlich getrennt zugeführten Strahlen mit 1,5 MHz Differenzfrequenz zur Vermeidung periodischer Nichtlinearitäten sowie drei parallelen Messstrahlen, um die Spiegeltopographie auch während der Messung mit einem deflektometrischen Verfahren bestimmen zu können.

Bild 1: Prinzipskizze der Y- InterferometerBild 2: Foto des Y-Interferometers am NMK


Der Nanometerkomparator (NMK) ist das Referenzmessgerät der PTB zur hochpräzisen Kalibrierung von Strichmaßstäben, Encodersystemen und anderen 1D-Längenmesssystemen. Im Rahmen umfangreicher Umbau-Maßnahmen wurde der NMK um die Möglichkeit erweitert, auch Geradheitsabweichungen zu messen. Dazu wurde eine neue Probenaufnahme aus der ausdehnungsarmen Glaskeramik Zerodur auf dem verfahrbaren Schlitten installiert, an welcher nicht nur die Spiegel für die bereits vorhandenen Längen- (X), Nick- und Gier-Interferometer angebracht sind, sondern auch ein Spiegel senkrecht zur Verfahrrichtung (siehe Abbildung 2). Dieser Spiegel wird als Messspiegel für die neuen Y-Interferometer genutzt, welche im Gegensatz zu den vorhandenen Interferometern in kurzen Luftstrecken und nicht in Vakuum betrieben werden. Die Y-Interferometer messen dabei jedoch nicht nur die Geradheitsabweichungen der Führung des NMK, sondern werden zusätzlich auch durch die Spiegeltopographie beeinflusst. Der Einfluss der Spiegeltopographie wird durch die Anwendung des „Traceable Multi Sensor“- (TMS) Verfahrens erfasst. Die dazu benötigten drei Y-Sensoren wurden am NMK in einer einzigen Interferometeroptik realisiert. Das Licht des frequenzstabilisierten Nd:YAG Lasers (532 nm) wird für die nach dem Heterodyn-Prinzip operierenden Y-Interferometer aufgespalten und über zwei akustooptische Modulatoren (AOM) frequenzverschoben. Die zwei Lichtstrahlen werden in polarisationserhaltende Lichtleitfasern dem Interferometer zugeführt, sodass der Laser außerhalb der Messkabine platziert werden kann und damit eine bessere thermische Stabilität innerhalb erreicht wird. Nach der Kollimation der zwei Strahlen durchlaufen diese ein aus drei Glasplatten bestehendes Element (3- Sensor Strahlaufspaltung), um aus den jeweiligen Strahlen drei in X-Richtung nicht äquidistant angeordnete Strahlen und damit also insgesamt sechs Strahlen zu erzeugen. Diese Strahlen durchlaufen alle dieselbe Interferometeroptik und realisieren die drei in X-Richtung angeordneten Y-Sensoren für das TMS-Verfahren. Der Strahlengang in der Interferometeroptik ist in der Abbildung 1 verdeutlicht. Die Eingangsstrahlen werden zunächst durch eine auf eine planparallele Platte aufgebrachte Neutralteilerschicht aufgespalten. Anschließend passieren die Strahlen eine Polarisationsteilerschicht und ein λ/4-Plättchen. Neun der zwölf Strahlen werden vom Referenzspiegel reflektiert und drei vom Spiegel des Maßstabshalters. Danach durchlaufen die Strahlen erneut das λ/4-Plättchen und werden nun an der Polarisationsteilerschicht reflektiert. Durch eine weitere beschichtete planparallele Platte werden die Strahlen unterschiedlicher Frequenz überlagert, sodass sich an den Detektoren ein Signal mit einer Schwebungsfrequenz entsprechend der Frequenzdifferenz der AOMs und der Bewegung des Spiegels ergibt. Die sechs Signale werden von einer selbstprogrammierten ADC-FPGA Karte erfasst und ausgewertet.

Bild 3: Differenz zwischen Y-Interferometer und Encoder


Erste Untersuchungen an einem in Y-Richtung messenden Encoder-System verdeutlichen die hohe Auflösung, Stabilität und konzeptbedingt niedrigen periodischen Nichtlinearitäten der Y-Interferometer. Die Abbildung 3 zeigt die Differenz der Messergebnisse zwischen dem Encoder und den in Luft messenden Y-Interferometern über eine Zeitdauer von 200 Sekunden. Bei einer Abtastfrequenz von 50 kHz wird eine Standardabweichung der Differenz von unter 0,3 nm erreicht. Die maßgeblich durch Mehrfachreflektionen an Grenzflächen hervorgerufenen periodischen Nichtlinearitäten der Y-Interferometer sind ebenfalls kleiner als 0,3 nm, wie in unabhängigen Untersuchungen gezeigt werden konnte.