DE2236529C3

DE2236529C3 - Drehvorrichtung hoher Genauigkeit für optische Geräte, insbesondere Elektronenmikroskope

Info

Publication number: DE2236529C3
Application number: DE2236529A
Authority: DE
Inventors: Walter Prof. Dr. 8000 Muenchen Hoppe
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Current assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Priority date: 1972-07-21
Filing date: 1972-07-21
Publication date: 1976-01-02
Also published as: DE2236529A1; US3899728A; JPS4992974A; NL7310178A; DE2236529B2; GB1445406A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Drehvorrichtung hoher Genauigkeit für optische Geräte, insbesondere Elektronenmikroskope mit einem Lager und einer Achse.

Drehvorrichtungen dieser Art sind bekannt, beispielsweise aus der FR-PS 14 95 068, wo auch eine piezoelektrische Verschiebevorrichtung zur Feineinstellung des Objekts beschrieben ist.

Für gewisse elektronenoptische Messungen sind Drehvorrichtungen erforderlich, welche den zu untersuchenden Präparatbereich um eine Achse drehen sollen, die innerhalb einer Präzision von A-Dimensionen ihren Ort im Raum beibehält. Derartig hohe Toleranzen sind bei mechanischen Lagern unmöglich. Es läßt sich bestenfalls eine Präzision in der Größenordnung von Bruchteilen von μ erreichen. Drehungen mit hoher Genauigkeit sind z. B. erwünscht, wenn man mit einem Elektronenmikroskop verschieden gegekippte Präparatstellen untersuchen will. Da sich bei den bisher bekannten Kippvorrichtungen die Kippachse im Raum irregulär bewegt, muß das Präparat (insbesondere bei hohen Vergrößerungen) durch den Objekttisch nachgestellt werden.

Aber auch für üchtoptische oder röntgenoptische Probleme ist häufig eine sehr genaue Lagerung von großer Bedeutung. Man wird in diesem Fall zwar nicht bis an die Grenzen von wenigen A gehen müssen. Es ist jedoch erwünscht, eine Lagergenauigkeit von z. B. 0,1 μ zu erreichen. Demgegenüber ist es bekannt, daß selbst beste Kugellager nur mit Genauigkeiten von einigen μ realisierbar sind.

Die Erfindung befaßt sich mit der Aufgabe, bei

ίο einer Drehvorrichtung der eingangs genannten Art die Lagergenauigkeit wesentlich zu verbessern.

Dies wird gemäß der Erfindung erreicht durch eine der Achse zugeordnete Längenmeßvorrichtung, die die Abstände der Achse von gerätefesten Teilen mißt, und eine durch die Längenmeßvorrichtung gesteuerte und auf das Lager einwirkende Verschiebevorrichtung.

Als Lager kommt jede beliebige Lagerart in Frage; man wird sie dem zu lösenden Problem anpassen.

Man wird die Eigenpräzision des Lagers der gewünschten Endgenauigkeit der Drehvorrichtung anpassen; für höchste Genauigkeit wird man also von einer möglichst genauen Grundlagerung ausgehen. Als Lager im Sinne der Erfindung seien auch mechanische Elemente definiert, bei denen eine Drehbewegung nicht durch eine reibende Relativbewegung von verschiedenen Teilen, z. B. beim Gleitlager zwischen der Achse und der Lagerbohrung, sondern durch elastische Verformung charakterisiert ist. Ein Lager im Sinne der Erfindung ist also z. B. ein Torsionsstab, eine Spannbandlagerung oder eine Lagerung, welche aus mehreren Spannbändern zusammengesetzt ist.

Bei der Erfindung wird nicht die mechanische Lagerungenauigkeit weiter verkleinert, sondern durch das Wechselspiel der der Achse dieses Lagers zugeordneten Längenmeßvorrichtung und der durch die Längenmeßvorrichtung gesteuerten und auf das Lager einwirkenden Verschiebevorrichtung werden Ungenauigkeiten des Lagers kompensiert. Diese Kompensation kann alle Freiheitsgrade der Lagerung betreffen; es ist aber auch möglich, nur einen Teil der Lagerkoordinaten zu kompensieren. F i g. 1 zeigt am Beispiel eines Elektronenbeugungsgerätes, daß häufig eine teilweise Kompensation der Lagerungenauigkeit ausreicht. In F i g. 1 ist 1 ein Teilstück eines zylindrischen Elektronenstrahls mit geringem Durchmeser (z.B. 100 A), der als Primärstrahl in einem Elektronenbeugungsgerät verwendet wird. Das Präparat 2 auf einer Trägerfolie 3 soll nun vermittels einer durch den Elektronenstrahl gehenden Drehachse 4 (in F i g. 1 senkrecht zur Zeichenebene orientiert) gekippt werden können, um Elektronenbeugungsaufnahmen bei verschiedenen Kippwinkeln herstellen zu können. Man erkennt aus dieser Aufgabenstellung sofort, daß es wichtig ist, daß die Drehachse in Richtung der .r-Achse ihre Lage beibehält. Hingegen ist es nicht nötig, daß die Drehachse in z-Richtung sehr genau definiert ist.

Eine geringe Präparatverschiebung in z-Richtung (welche durch Verschieben der Achse 4 in z-Richtung entsteht) spielt gegenüber der Beugungslänge überhaupt keine Rolle. Auch eine geringe Änderung der Orientierung der Drehachse (Taumelfehler) ist unbedeutend, wenn der Querschnitt des Elektronenstrahls klein ist. Hingegen darf das Präparat während der Drehung nicht nur nicht senkrecht zur Drehachse (in ^-Richtung), sondern auch nicht in Richtung der

3rehachse (senkrecht zur Zeichenebene = y-Rich- mit endlicher mechanischer Toieranz herzustellen. ;ung) wandern. Denn auch bei einer Wanderung in Selbst wenn sich die Drehachse der Zylinder mit unp-Richtung besteht die Gefahr, daß das Objekt von endlicher Genauigkeit bewegen würde, so würde Jem sehr fein gebündelten Prima'rstrahl nicht mehr wegen der Ungenauigkeiten im Zylinderradius sich »rfaßt wird. 5 der Spalt der Kondensatoren bei Drehung verändern.

Die F i g. 2 bis 8 zeigen Ansführungsbeispiele der Das ist aber im Prinzip unwesentlich, da — immer Erfindung. unter der Annahme unendlicher Lagergenauigkeit —

Die in F i g. 2 dargestellte Ausführungsform löst bei einem bestimmten Drehwinkel der Achse 5 eine die an Hand von Fig. 1 diskutier!e Aufgabe, eine immer gleichbleibende und definierte Lage der Zy-Achse in x- und y-Richtung zu definieren. Die zu ¹⁰ linder gegenüber den Gegenelektroden 24 bis 29 vordrehende Achse 5 hat in der Mitte eine Bohrung 6, liegt. Gleiche Kondensatormeßwerte bedeuten also welche den Objektträger aufzunehmen vermag. Die immer gleiche Lage der Drehachse. Hat sich bei einer Achse ist in üblicher Weise durch zwei Gleitkonus- Drehung — was der allgemeine Fall sein wird — die lager 7 und 8 im Rahmen der mechanisch erreich- Drehachse in x- und/oder y-Richtung verschoben, so baren Toleranzen spielfrei gelagert. Wesentlich ist ¹S wird der Rahmen 9 durch die piezoelektrischen Stellnun, daß die Lager nicht ortsfest angeordnet sind, glieder 10 bis 17 so lange verschoben, bis die Drehsondern in einem in x- und y-Richtung verschieb- achse wieder ihre alte Stellung eingenommen hat. Der baren Rahmen 9 angebracht sind. Die Parallelver- korrigierten Stellung entspricht nun ein definierter Schiebung dieses Rahmens muß nur über sehr kleine Satz von Meßwerten an den Kondensatoren, der frei-Strecken erfolgen. Es ist wesentlich, daß die Antriebe ²⁰ lieh im voraus nicht bekannt ist. Er wird vielmehr in Α-Dimensionen ansprechen. Für diese Aufgabe durch eine Eichung gewonnen, die eine zusätzliche lassen sich z. B. geeignet konstruierte mechanische absolute Messung der Lage der Drehachse ein-Triebe einsetzen. Besonders günstig aber sind die schließt.

elektrostriktive oder magnetostriktive Antriebe, Bei einer Elektronenbeugungseinrichtung nach

welche z. B. in bekannter Weise aus piezokerami- ²5 F i g. 1 ist eine solche Absolutmessung dann mögschen Rohren mit Innen- und Außenbelegung aufge- lieh, wenn die Elektronenbeugungseinrichtung z.B. baut sein können. In F i g. 2 sind je vier piezokera- als Feinbereichsbeugungseinrichtung in einem Elekmische Stellglieder 10, 11, 12, 13 für die Verstellung tronenmikroskop ausgebildet wurde. Besteht nämlich in y-Richtung und vier Stellglieder 14, 15, 16, 17 für wahlweise die Möglichkeit, das Objekt 2 (Fig.!) die Verstellung in ^-Richtung vorgesehen. Durch An- 3° elektronenmikroskopisch zu beobachten, so kann legen von Spannungen an die Belegungen der Röhr- man seine seitlichen Versetzungen im elektronenchen lassen sich mühelos kleine Parallelverschiebun- mikroskopischen Bild unmittelbar erkennen, gen in y- bzw. ^-Richtung erzielen. Der Rahmen 9 Zur Ermittlung der Kapazitätswerte und ihrer Verkann gleitend auf einer Unterlage aufgelegt sein. Da arbeitung umfaßt die Vorrichtung nach F i g. 2 einen aber die Verschiebungen außerordentlich gering sind, 35 Digitizer 30, der die Winkellage der Achse 5 in kann er auch an vier Stäben mit elastischer Defor- Form einer Codezahl kennzeichnet, ein Kapazitätsmierbarkeit in x- und y-Richtung aufgehängt sein. meßglied 31, einen Sollwertspeicher 32 und einen In F ig.?, sind diese vier, senkrecht zur Zeichenebene Stellgrößengeber 33. Zur Eichung der Vorrichtung angebrachten, Stäbe durch die Kreise 18. 19, 20, 21 werden die Sollwerte der Kapazitäten 22/24, 22/25, angedeutet. 4° 22/28, 23/26, 23/27 und 23/29 bei einer bestimmten

Man könnte nun annehmen, daß es genügen würde, Winkellage der Achse 5 in der Weise ermittelt, daß für eine bestimmte Winkellage der Achse 5 durch eine das Objekt 2 elektronenmikroskopisch beobachtet wird Eichung diejenigen Spannungen festzustellen, die an und die Spannungen an den piezoelektrischen Stelldie Stellglieder 10, 11, 12, 13 angelegt werden müs- gliedern 10 bis 17 so lange geändert werden, bis sich sen, um die Achse 5 in die gewünschte Lage zu brin- 45 das Objekt 2 im Mittelpunkt des Gesichtsfeldes begen. Das ist jedoch nicht möglich, da die Achse bei findet. Die bei dieser Stellung des Objektes durch das Drehungen völlig irregulär auswandert, also nach Kapazitätsmeßglied 31 gemessenen Kapazitätswerte Rückkehr in die gleiche Drehlage im allgemeinen werden zusammen mit der Codezahl der betreffenden eine andere Korrektur benötigt. Winkellage im Sollwertspeicher 32 gespeichert. In

Die oben beschriebene Verschiebeeinrichtung wird 5o entsprechender Weise wird in einer Anzahl von weidaher durch eine Längenmeßvorrichtung gesteuert. teren Winkellagen der Achse 5 verfahren, so daß der Zu diesem Zweck sind in der Ausführungsform nach Sollwertspeicher 32 schließlich mehrere Sätze von Fig. 2 die Enden der Achse 5 als Zylinder 22 und Kapazitätswerten mit jeweils einer zugeordneten, die 23 ausgebildet, die entweder leitend oder mit einer Winkellage kennzeichnenden Codezahl enthält, leitenden Oberflächenschicht versehen sind. Diese 55 Beim Gebrauch der Anordnung nach F i g. 2 ent-Oberflächenschicht bildet eine Belegung eines Kon- nimmt der Stellgrößengeber 33 dem Sollwertspeicher densators. In sehr geringem Abstand vom Zylinder 32 diejenigen Sollwerte, die der gerade eingestellten befinden sich plattenförmige vertikal angeordnete Winkellage der Achse 5, gekennzeichnet durch die Elektroden 24, 25, 26, 27 und 28, 29. In Verbindung Codezahl des Digitizers 30, zugeordnet sind. Diese mit den leitenden Schichten auf den Oberflächen der ⁶° Sollwerte vergleicht er mit den aus dem Kapazitäts-Zylinder 22, 23 entstehen so Kondensatoren, dere" meßglied 31 entnommenen Istwerten. Der Stell-Kapazität in geeigneten Meßbrücken gemessen wer- größengeber 33 gibt an die piezoelektrischen Stelldenkann. Diese Kondensatoren werden zur Längen- glieder 10/11, 12/13, 14/15 und 16/17 diejenige! messung benutzt. Verändert sich nämlich die Lage Spannungen ab, bei denen die Differenz zwischer der Zylinder in bezug auf die ortsfest angebrachten ⁶5 Soll- und Istwerten Null wird.

Elektroden 24 bis 29, so verändern sich auch die Wesentlich ist demnach, daß Sollwerte der Kapa

Kapazitätswerte der Kondensatoren. Diese Längen- zitäten, also Soll-Abstände der Achse von gerate messung ist freilich nur relativ. Die Zylinder sind nur festen Teilen gespeichert werden, und nicht etwa di<

icn Stellgliedern zugeführten Spannungen, die auch absoluter Längenmessung — die einzelnen Koordinabei dem gleichen Kippwinkel von Fall zu Fall ver- ten gegeneinander gekoppelt sind. Sowohl in der Einschieden sein können. richtung nach F i g. 2 wie in der Einrichtung nach Aus dieser Beschreibung geht hervor, daß die Kor- F i g. 3 wird die Kompensation nur teilweise durchrektur der Achslage eigentlich nur diskret für einen 5 geführt; auf eine Kompensation in Richtung der bestimmten Satz von Kippwinkeln erfolgen kann. z-Achse (die senkrecht zur Zeichenebene zu denken Wenn aber die aufeinanderfolgenden Kippwinkcl nur ist) wurde in beiden Fällen verzichtet. Es ist einzuwenig voneinander verschieden sind, so kann man sehen, daß beide Einrichtungen auch in Richtung auf zwischen ihnen interpolieren. Im übrigen gibt es die Kompensation der Bewegung der Drehachse in viele Aufgaben, bei denen die Beschränkung auf 10 z-Richtung ausgebaut werden können. In Fig. 2 ist einen diskreten Satz von Kippwinkeln genügt. es dazu nur erforderlich, zwei weitere Paare von Bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 2 ist die Elektroden parallel zur Zeichenebene anzuordnen, Längenmessung auf eine Kapazitätsmessung zurück- welche den für die Kompensation in x-Richtung vergeführt, die den Vorteil einer hohen Genauigkeit hat. antwortlichen Elektroden 24, 25, 26, 27 entsprechen. Es können jedoch auch für die Längenmessung in- 15 ^{Im Falle dcr} Anordnung von F i g. 3 ist es erforderduktive oder piezoelektrische Abnehmer verwendet lieh, einen weiteren Spalt und einen weiteren Detekwerden. Außerdem lassen sich auch optische Ver- tor anzuordnen, die unter einem rechten Winkel zu fahren, etwa lichtoptische Interierenzverfahren oder 35 orientiert sind und die von Strahlen getroffen werelektronenoptische Verfahren, als Längenmeßverfah- den, die sich parallel zur Zeichenebene bewegen, ren einsetzen. Bei den optischen, insbesondere aen ao Hierbei ist es erforderlich, diesen zusätzlichen Spalt elektronenoptischen Verfahren kann man auch daran gegenüber dem Spalt 35 in y-Richtung versetzt anzudenken, die Soll- bzw. Istwerte durch ein absolutes ordnen, um eine gegenseitige Beeinflussung zu ver-Längenmeßverfahren zu ermitteln, wobei man dann meiden.

auf eine Eichung durch elektronenmikroskopische Wenn die Ausführungsform nach Fig. 2 auch Abbildung usw. verzichten kann. Das ist z. B. dann 25 nach der z-Koordinate kompensiert werden soll, möglich, wenn man die Drehachse als feine Nadel so müssen außer den zusätzlichen Elektroden zusätzkonkret realisiert. liehe Verschiebeelemente in z-Richtung vorgesehen F i g. 3 zeigt das Prinzip einer elektronenoptischen werden. Werden elektrostriktive Elemente benutzt, Längenmeßeinrichtung, in welcher die Drehachse so kann das in der Ausführungsform nach F i g. 2 auf z. B. als Whisker realisiert sein könnte. Die Achse 34 30 einfachste Weise erreicht werden, wenn man die bewegt sich vor zwei Spalten 35 und 36. Hinter die- elastischen Stäbe 18, 19, 20, 21 durch elektrostriksen beiden Spalten befindet sich je ein Detektor, und tive Stellglieder ersetzt. Man beachte übrigens dabei, diesen Detektoren gegenüber, also vor der Zeichen- daß die elektrostriktiven Elemente in der Anordnung ebene, befindet sich eine Elektronenquelle. Die De- nach F i g. 2 seitlich elastisch beansprucht werden. te':toren und die Elektronenquelle sind gerätefest an- 35 Verschiebt sich z. B. der Rahmen 9 durch Einwirgeordnet. Ein senkrecht zur Zeichenebene gerich- kung von 10, 11, 12, 13 in y-Richtung, so werden teter Elektronenstrahl wird beide Spalten 35 und 36 die Verschiebeelemente 14, 15, 16, 17 seitlich elanur teilweise durchsetzen können, da beide Spalten stisch verformt. Da diese Verschiebungen aber sehr (in verschiedener Weise) von der Achse 34 teilweise klein sind, so können Änderungen der Eigenschaften überdeckt werden. Man erkennt aus F i g. 3 unmittel- 40 der Elemente durch diese Verformungen im allgebar, daß eine Versetzung in x-Richtung die reelle meinen vernachlässigt werden; da zudem diese EIe-Breite des Spaltes 35 beeinflußt, hingegen die wirk- mente nicht als Melielemente, sondern nur als Einsame Öffnung von 36 nicht verändert. Hingegen ver- Stellelemente dienen, so wäre sogar eine Änderung ändert eine Bewegung von 34 in x-Richtung nur die ihrer Eigenschaften unwesentlich, wenn die einzelwirksame Fläche von 36, nicht aber die wirksame 45 nen Einstellungen, wie später erläutert, in einem ite-Fläche von 35. Es ist klar, daß die Genauigkeit die- rativen Zyklus erfolgen.

ser Einrichtung vor allem von der Genauigkeit be- Bei vollkommener Kompensation aller Koordi-

stimmt ist, mit welcher die dünne Achse 34 zylinder- naten des Lagers ist eine exakte Unabhängigkeit der

symmetrisch ist. Der Steuerbereich ist hingegen durch Sollwerte der einzelnen Koordinaten voneinander die Dicke der Achse 34 gegeben. Die Größe des 5° nicht mehr so wichtig. Die F i g. 4 und 5 sollen dies

Steuerbereiches spielt dann keine besondere Rolle, erläutern. In F i g. 4 ist der Zylinder 22 der F i g. 2

wenn über die Verschiebeeinrichtung ständig auf die — von der Achse gesehen — noch einmal dargestellt

beiden (konstant zu haltenden) Sollwerte kompen- Zur Erhöhung der Übersichtlichkeit ist die Elektrode

siert wird. Sollte einmal durch einen Fehler in der 28 weggelassen. Neben den beiden, für die Anzeig« Einstellung die Achse völlig aus den Bereichen der 55 der x-Koordinate verantwortlichen Elektroden 24, 2f

Spalten 35 bzw. 36 geraten, so läßt sich ihr Wie- sind die Elektroden für die Anzeige in z-Richtung 3"

dereintauchen sehr einfach durch die Änderung des und 38 (die in F i g. 2 nicht dargestellt sind) zusatz

maximalen Meßsignals registrieren. Es ist klar, daß lieh eingezeichnet. Man erkennt nun deutlich, dal

die in Fig. 3 gezeigte Einrichtung auch mit sieht- eine Bewegung des Zylinders in x-Richtung die Ka barem oder ultraviolettem Licht realisiert werden 60 pazität des Kondensators 22/24 erhöht, die Kapazitä

kann. Es mag dabei erwähnt werden, daß Beugungs- des; Kondensators 22/25 erniedrigt, hingegen die Ka

erscheinungen eine relativ geringe Rolle spielen, da pazitäten der Kondensatoren 22/37 und 22/38 unvei

Spaltbreiteveränderungen unterhalb des Auflösever- ändert läßt. Analoges gilt für eine Bewegung de

mögens der verwendeten Strahlung immer noch die Zylinders in z-Richtung. In F i g. 5 ist nun eine Kor Intensität des nullten Beugungsmaximums beein- 65 densatormeßeinrichtung dargestellt, in welcher di

flüssen. . Elektroden, jetzt mit 39, 40, 41, 42 bezeichnet, zylir

Bei den Vorrichtungen nach Fig. 2 und 3 ist es derförmig den Zylinder 22 umschließen. Für eir

wesentlich, daß — gleichgültig ob mit relativer oder Verschiebung der Λ-Richtung tritt wieder eine E

7 8

höhung des Kapazitätswertes zwischen 39 und 22 Kugeln gebildet wird. In Fig. 6 sind nur die Kon-

und eine Erniedrigung des Kapazitätswertes zwischen struktionselemente dargestellt, welche von den Kon-

40 und 22 ein. Eine einfache Rechnung zeigt, daß in struktionselementen in F i g. 2 grundsätzlich abwei-

diesem Fall nicht nur die Absolutkapazität größer ist chen. Die Achse S trägt an ihren beiden Enden

als in einer Anordnung nach Fig. 4, sondern daß 5 Kugeln45 und 46, welche über die durch die Pfeile

auch die relative Änderung der Kapazität gegen eine 47, 48, 49, 50, 51, 52 nur schematisch angedeute-

Verschiebung des Zylinders größer ist. Allerdings ten Dreipunktlagerungen gehalten werden. Diese

wird durch eine Verschiebung in jr-Richtung auch Dreipunktlagerungen können mit einem nicht dar-

die Kapazität der Kondensatoren 22/41 und 22/42 gestellten Rahmen verbunden sein, der durch

beeinflußt. Diese Veränderung der Kapazitäten ist io Stellglieder bewegbar ist; diese nicht dargestellten

aber sehr viel geringer als die Änderung der Kapazi- Teile können völlig analog — wie nach F i g. 2 —

täten der Kondensatoren 22/39 bzw. 22/40. Das ausgebildet sein. Hingegen enthält die Fig. 6 alle für

Analoge gilt für eine Änderung der Lage des Zylin- Längenmessung erforderlichen Kondensatoren, die

ders 22 in z-Richtung. Eine Kompensation in *-Rich- aus den Elektroden 53 bis 62 und den Kugeln 45 und

tung wird daher durch die nachfolgende Kompensa- 15 46 gebildet werden; sie liefern die Soll- und Istwerte

tion in z-Richtung etwas verfälscht werden. Wieder- für eine genaue Einstellung der Drehachse 5. Zur

holt man alle Kompensationen einige Male in zykli- besseren Übersichtlichkeit sind die Kugelschalen 53,

scher Weise, so werden aber diese Verfälschungen 54, 55, 56, 61, 62 geschnitten gezeichnet. Die für die

sukzessive eliminiert. z-Richtung bestimmten Kondensatoren auf der Unter-

Es genügt, wenn eine einzige kapazitive Meß- *° seite der Kugeln sind mit 59 und 60 (in Klammern)

brücke für diese Messungen vorliegt. Diese Meßbrücke in F i g. 6 bezeichnet.

kann reihum an alle Meßstellen angeschaltet werden, F i g. 7 zeigt schließlich noch eine Drehvorrichum in dem schon erwähnten iterativen Zyklus die tung, bei der sowohl das Lager wie auch die kapazi-Einstellungen vorzunehmen. Die Steuerung muß dann tive Längenmeßeinrichtung durch eine einzige Kugel natürlich einen weiteren einstellbaren Speicher be- 25 gebildet werden. Der kugelförmige Drehkörper ist sitzen, der die ermittelten Zwischen-Spannungswerte mit 63 bezeichnet; er ist durch eine Vierpunktlagefür die Stellglieder festhält. Ebenso kann man natür- rung gehalten, die durch die Pfeile 70, 71, 72 und 73 lieh für jedes Kondensatorpaar eine eigene kapazitive angedeutet ist. Diese Lagerung ist wiederum, ähnlich Meßbrücke vorsehen. Damit wird es möglich, die wie in Fig. 2, mit einem verstellbaren Rahmen verEinstellungen aller Koordinaten gleichzeitig vorzu- 30 bunden. Der Drehkörper kann durch eine Antriebsnehmen, was bei schnellen Drehbewegungen einen welle 75 um die y-Achse gedreht werden. Die An-Vorteii darstellen kann. triebswelle 75 weist ein Gegenlager 80 auf, das keine

Man kann die Zylinder 22 und 23 in F i g. 2 auch hohe Genauigkeit zu haben braucht,
durch Kugeln ersetzen und sphärische Gegenelektro- Die zur Kapazitätsmessung in der Ar-Richtung vorden anordnen. Die Empfindlichkeit der Kapazitäts- 35 gesehenen Elektroden 64 und 65 (geteilt, aber durch messung hängt natürlich sehr stark von der Größe Drähte 76 und 77 elektrisch verbunden), die entspredes Kondensatorspaltes ab. Da sich Kugeln außer- chenden Elektroden 68 und 69 für die Einstellung in ordentlich genau schleifen lassen, kann in diesem Fall z-Richtung und die Elektroden 66 und 67 für die der Spalt sehr klein gehalten werden. Besonders gün- Einstellung in y-Richtung sind in F i g. 7 dargestellt, stige Verhältnisse liegen dann vor, wenn die Kugel 40 Die Kugelschalenelektroden <»4, 65, 66, 67 sind gegleichzeitig als Lagerelement benutzt wird, wenn also schnitten gezeichnet. Der kugelförmige Drehkörper die Konuslager 7, 8 in F i g. 2 durch Kugeln, die etwa 63 enthält zwei Einfräsungen, die es ermöglichen, im an drei Punkten auf Gegenlagern schleifen, ersetzt Mittelpunkt der Kugel (in der Bohrung 79) das Präwerden, wobei die Kapazitätssollwerte unmittelbar an parat anzubringen. In F i g. 8 ist zur Verdeutlichung diesen Kugeln abgenommen werden. Die Ausfüh- 45 der Kugelkörper, in x-Richtung gesehen, gesondert rungsform nach Fig. 6 entspricht diesem Merkmal. gezeichnet. Ein Vorteil der Ausführungsform nach

In F i g. 2 könnten im Prinzip die durch 29 und F i g. 7 ist, daß die Anzahl der Kondensatoren — und 23 bzw. 27 und 23 gebildeten Kondensatoren und der damit der Sollwerte — gegenüber einer Ausführungsdurch 24 und 22 gebildete Kondensator auch weg- form nach F i g. 2 oder F i g. 6 auf die Hälfte redugelassen werden, da sie den Soll- bzw. Istwert eigent- 5« ziert wird. Allerdings ist in der Ausführungsfornn lieh noch einmal liefern. Trotzdem ist es empfehlens- nach Fig. 7 ein beliebiges Verschwenken der Kugel wert, sie beizubehalten. Im Falle thermischer Aus- grundsätzlich möglich. Diese Schwenkbewegung läßl dehnungen des Zylinders verändern sich nämlich zu- sich jedoch durch die Antriebswelle 75, die durch eir sätzlich die Spalte, ohne daß eine Veränderung der Loch der Elektrode 66 geführt ist, mit genügendei Lage des Objektes eintreten muß. Durch die Doppel- 55 Genauigkeit ausschalten. Ist z. B. der Abstand de« anordnung der Elektroden lassen sich derartige Ein- Gegenlagers 80 von der Kugelmitte = 1 und die Ge flüsse teilweise kompensieren. Man bezieht dann den nauigkeit des Gegenlagers 80 = f, so ist der Winkel-Soll- bzw. Istwert auf das Verhältnis der Meßwerte fehler rl\ Für ε = 10 u und 1 = 10 cm ergibt sicr der gegenüberliegenden Spalte, das (bei gleichmäßiger ein Verschwenkungsfehler von weniger ais 0,01°. Eir thermischer Ausdehnung) von thermischen Größen- ⁶" weiterer Vorteil der Ausführungsform nach Fig." Veränderungen des Zylinders unabhängig ist. Hin- ist der geringe Einfluß von thermischen Ausdehnun gegen kann man nicht auf eine Abnahme des Soll- gen, der auf die sehr kompakte Konstruktion zurück bzw. Istwertes auf beiden Enden der Achse verzieh- zuführen ist.

ten, da man beide Lager 7 und 8 getrennt kompensie- Die der Längenmeßvorrichtung nachgeschalteten ren muß. 65 auf die Stellglieder für das Lager einwirkendei

F i g. 6 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher Steuereinrichtungen können nach konventionellei

— wie schon erwähnt — sowohl das Lager wie die Gesichtspunkten aufgebaut sein. Es ist, wie schon er

kapazitive Längenmeßeinrichtung aus den gleichen wähnt, ein Vorteil der vorliegenden Anordnung, dal

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Hystereseerscheinungen von elektrostriktiven oder magnetostriktiven Verschiebeelementen keine Rolle spielen. Für die meisten Anwendungen genügen relativ langsame Steuereinrichtungen, da insbesondere die im Elektronenmikroskop vorgesehenen Ausführungsformen (z. B. als Kippvorrichtungen für dreidimensionale Elektronenmikroskopie) nur langsame Veränderungen des Kippwinkels erfordern. Auf die Notwendigkeit eines Speichers für die Speicherung der jedem Kippwinkel zugeordneten Sollwerte sei noch einmal hingewiesen. Es empfiehlt sich, diesen Speicher digital vorzusehen, wobei Analog-Digitalumwandler erforderlich werden. In einer bevorzugten Ausführungsform für die Steuereinrichtung ist eine Kapazitätsmeßbrücke vorgesehen, welche das Kapazitätsverhältnis von gegenüberliegenden Kondensatoren (also z. B. 24 und 25 oder 28 und 29 in F i g. 2, 53 und 54 oder 59 und 60 in F i g. 6, 66 und 67 usw. in F i g. 7) ermittelt.

Es sei noch darauf hingewiesen, daß die elektronisch kompensierten Lager keine eindeutig definierte Drehachse aufweisen. Man kann vielmehr die Drehachse in gewissen Grenzen nach Belieben z. B. an verschiedene Stellen eines elektronenmikroskopischen Präparates legen. Das liegt daran, daß die mechanischen Lagerurlgenauigkeiten im allgemeinen sehr viel größer sind als die elektronisch erreichbare virtuelle Genauigkeit. Man erkennt leicht, daß man ungefähr innerhalb der Spaltweite der Kondensatoren die Drehachse virtuell verschieben kann. Ist die Abhängigkeit der Sollwerte von der virtuellen Lage dei Drehachse einmal ermittelt, so läßt sich die Drehachse im Präparat nach Belieben einrichten. Dazu isl allerdings im allgemeinen ein weiter vergrößertei Speicher und/oder ein Computer erforderlich, der die Sollwerte für die einzelnen Lagen der Drehachse ineinander umrechnet. Diese Möglichkeit, die Drehachse innerhalb eines Bereiches von μ (falls man die Kondensatoren mit Spalten in der Größenordnung von μ versieht) zu verschieben, ist gerade für elektronenmikroskopische Anwendungen von ganz besonderem Wert, da man damit nicht darauf angewiesen ist das zu untersuchende Präparat mechanisch genau ir die Kippachse zu bringen. Es genügt, wenn das Prä parat in die Nähe der Kippachse gebracht wird. Dh nachfolgende Einjustierung der Kippachse in das Prä parat geschieht dann mit fast beliebiger Genauigkei elektronisch.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

IV

Claims

Patentansprüche:

1. Drehvorrichtung hoher Genauigkeit für optische Geräte, insbesondere Elektronenmikroskope, mit einem Lager und einer Achse, gekennzeichnetdurch eine der Achse (5, 34, 75) zugeordnete Längenmeßvorrichtung (22 bis 29; 35, 36; 37, 38; 39 bis 42; 45, 46, 53 bis 62, 63 bis 69) die die Abstände der Achse von gerätefesten Teilen mißt, und eine durch die Längenmeßvorrichtung gesteuerte und auf das Lager (7, 8; 47 bis 52; 70 bis 73) einwirkende Verschiebevorrichtung (10 bis 17).

2. Drehvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine kapaziti- wirkende Längenmeßvorrichtung (22 bis 29; 37, 38; 39 bis 42; 45, 46, 53 bis 62; 63 bis 69).

3. Drehvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine optisch wirkende Längenmeßvorrichtung (35,36) (F i g. 3).

4. Drehvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine piezoelektrisch wirkende Verschiebevorrichtung (10 bis 17).

5. Drehvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine magnetostriktiv wirkende Verschiebevorrichtung.

6. Drehvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Lager (7, 8) in einem Rahmen (9) angeordnet ist, der durch elastisch verformbare Elemente (18 bis 21) gehalten ist (Fig. 2).

7. Drehvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die im Lager (47 bis 52; 70 bis 73) geführten Teile der Achse (5, 75) als Kugeln (45, 46; 63) ausgebildet sind, die zugleich Beläge von Kondensatoren der Längenmeßvorrichtung bilden (F i g. 6 und 7).