Logo PTB

Qualifizierung von Geradheitsinterferometern mit dem Nanometerkomparator

06.12.2017

Der Nanometerkomparator der PTB ist das nationale Normal zur Kalibrierung von Längenteilungen auf Strichmaßstäben und Encodersystemen mit einer Länge bis zu 600 mm. Zusätzlich wurden die Möglichkeit, Geradheitsabweichungen von Strukturen zu kalibrieren, realisiert. Dazu wurden zwei unabhängige Fehlerseparationsmethoden, ein Umschlag- und das Traceable-Multisensor-Verfahren, umgesetzt und diese miteinander verglichen [1]. Beide Methoden setzen eine über die Messdauer konstante Referenz voraus. Im Falle des Umschlagverfahrens ist dies die Topographie des Spiegels, welcher auf dem Messobjektträger aufgebracht ist, und im Falle das Traceable-Multisensor-Verfahrens die Messung der Winkelvariation bei der Bewegung des Messobjektes. Die Unsicherheit des homodynen Gierwinkelinterferometers des Nanometerkomparators limitierte bisher die Unsicherheit der Geradheitsmessungen. Die Signale des Interferometers wurden zur Vermeidung von Interpolationsfehlern mit Ellipsenparametern korrigiert. Dies geschah bisher auf Basis eines einzelnen Satzes von Parametern. Es konnte jedoch gezeigt werden, dass die Korrekturparameter von der Position des Messobjektträgers abhängen. Durch die Einführung von positions-abhängigen Parametern wurde die Unsicherheit des Gierwinkelinterferometers auf unter 50 nrad und damit die Unsicherheit der Geradheitsmessungen in den sub-nanometer Bereich gesenkt [2]. Die Wirkungsweise dieser Korrektur des Gierwinkelinterferometers wurde in einem Vergleich mit einem heterodynen Winkelinterferometer, welches an Luft betrieben wurde, gezeigt. Abbildung 1 zeigt welche Differenzen der zwei Winkelinterferometer in Abhängigkeit von der Position des Messobjektträgers auftraten.

Neben der Verwendung von kalibrierten Geradheitsnormalen bieten Geradheitsinterferometer einen direkteren Zugang zur Beurteilung der horizontalen Führungsfehler von Positioniertischen. Der Nanometerkomparator wurde daher genutzt, um die Limitierungen von Geradheitsinterferometern zu untersuchen, wie in Abbildung 2 verdeutlicht ist. Dazu wurde ein selbstentwickeltes heterodynes Interferometersystem mit verschiedenen Keilprismen ausgestattet, um den Einfluss des Divergenzwinkels auf die Unsicherheit des Geradheitsinterferometers zu erfassen [2]. Eine Vergrößerung des Divergenzwinkels zwischen den Messstrahlen erhöht zwar die Sensitivität des Systems, jedoch wird auch der Abstand zwischen den Messstrahlen vergrößert und die Spur der Strahlen auf dem Geradheitsreflektor bei der Bewegung des Messobjektträgers über 250 mm verlängert. Damit steigt der Einfluss von Luftbrechzahlgradienten und der Spiegeltopographie. Für die am Nanometerkomparator vorhandenen Laborbedingungen konnte gezeigt werden, dass sich eine Vergrößerung des Divergenzwinkels trotzdem positiv auswirkt. Dabei wurden Untersuchungen mit Divergenzwinkeln von 4°, 8° und 20° durchgeführt. Für eine Verifizierung der Unsicherheit des Nanometerkomparators eignete sich das an Luft betriebene Geradheitsinterferometer jedoch nicht, da dessen Unsicherheit 100 nm nicht unterschritt.


Differenz der gemessenen Winkel des Messobjektträgers

Abb. 1: Differenz der gemessenen Winkel des Messobjektträgers des Nanometerkomparators zwischen einem heterodynen, in Luft betriebenen und dem homodynen, im Vakuum betriebenen Winkelinterferometern: (a) Differenz bei Korrektur der homodynen Signale mit einem einzelnen Satz von Ellipsenparametern, (b) Differenz bei Korrektur der homodynen Signale mit positions-abhängigen Ellipsenparametern.


Schematische Darstellung der Untersuchung eines Geradheitsinterferometers

Abb. 2: Schematische Darstellung der Untersuchung eines Geradheitsinterferometers am Nanometerkomparator, (1): Messobjektträger, welcher in X-Richtung bewegt wird, (2): 3 Y-Interferometer zur Geradheitsmessungen mittels des Traceable-Multisensor-Verfahrens, (3) Geradheitsreflektor, (4) Keilprismen zur Einstellung des Divergenzwinkels, (5) Heterodynes Geradheitsinterferometer, welches auf dem Messobjektträger befestigt ist.


Referenzen:

[1] Weichert, C., Bosse, H., Flügge, J., Köning, R., Köchert, P., Wiegmann, A. und Kunzmann, H. (2016). Implementation of straightness measurements at the nanometer comparator. CIRP Annals - Manufacturing Technology: 65, 1, 507–510

[2] Weichert, C., Köchert, P., Schötka, E., Flügge, J. und Manske, E. (2017). A straightness measuring interferometer characterised with different wedge prisms. Proceedings of 59th Ilmenau Scientific Colloquium, www.db-thueringen.de.