PT1668318E

PT1668318E - Método e aparelho de medição de superfícies ópticas de forma livre.

Info

Publication number: PT1668318E
Application number: PT04788506T
Authority: PT
Inventors: Henselmans Rens; Rosielle Petrus Carol Nicolaas
Original assignee: Tno
Priority date: 2003-09-29
Filing date: 2004-09-29
Publication date: 2007-05-31
Also published as: WO2005031255A1; DE602004004916T2; DK1668318T3; PL1668318T3; EP1668318B1; DE602004004916D1; US20060290942A1; EP1668318A1; ATE354782T1; US7492468B2; SI1668318T1; ES2281838T3; EP1519144A1; CY1107631T1

Description

PE1668318 1

DESCRIÇÃO

"MÉTODO E APARELHO DE MEDIÇÃO DE SUPERFÍCIES ÓPTICAS DE FORMA LIVRE" O invento diz respeito a um aparelho de medição das superfícies para medir uma posição numa superfície de um elemento a ser nele montado, que compreende: a estrutura de medição que compreende um suporte para montar o elemento a ser medido; uma placa que compreende um dispositivo de rotação, sendo a placa móvel segundo pelo menos uma primeira direcção em relação à referida estrutura de medição; e um dispositivo de medição de uma distância sem contacto para medir na primeira referida direcção uma distância entre a referida estrutura de medição e uma superfície de medição predeterminada provida no referido dispositivo rotativo. 0 invento além disso diz respeito a um método para medir a posição de um elemento na superfície, que compreende: proporcionar uma estrutura de medição; que proporciona uma placa móvel em relação à estrutura e que compreende um dispositivo que é rotativo em relação à placa; proporcionando uma superfície de medição predeterminada no referido dispositivo rotativo; e medindo directamente numa primeira direcção uma primeira distância entre a referida estrutura de medição e a referida primeira 2 PE1668318 superfície de medição predeterminada que se proporciona no referido dispositivo rotativo.

Na patente US 6.008.901 as formas das superfícies ou por exemplo os elementos ópticos são medidos por meio de um dispositivo de medição da posição que é capaz de medir um contorno utilizando um sinal de reflexão que vem do contorno a ser medido. Contudo, para aumentar as dimensões e as inclinações desordenadas de tais contornos a serem medidos, os sinais reflectidos tendem a ser deflectidos em várias direcções. Estes sinais reflectidos podem então já não serem recebidos pelos dispositivos de medição que são utilizados; em particular os feixes do interferómetro são reflectidos afastando-se da detecçâo de interferometria, de modo que um sinal de medição é perdido e a medição da superfície fica fora dos limites.

Tais elementos asféricos são um dos elementos que podem ser medidos pelo aparelho de medição do tipo acima referenciado. Em particular, a medição do contorno da superfície tornou-se um grande problema uma vez que os métodos para dar a forma local com elevada precisão foram desenvolvidos a fim de fabricar elementos da superfície óptica (asféricos ou de forma livre) que teoricamente reduzem grandemente o número de aberrações. Tal como se tornou genericamente apreciado, estes elementos ópticos complexos, quando convenientemente concebidos e fabricados, são capazes de simplificar grandemente as concepções de lentes complexas (múltiplas) e aos mesmo tempo manter ou 3 ΡΕ1668318 mesmo aumentar a qualidade das características de tais concepções quando utilizadas em ópticas de elevada precisão. A US 4575942 divulga um dispositivo com placa com um dispositivo rotativo nele montado. Ele não é contudo utilizado com a finalidade da medição de superfícies. A EP 512356 e a EP 398073 divulgam um dispositivo de medição para medir superfícies. Uma estrutura é proporcionada para medição a qual tem nela uma placa móvel, a placa compreende um dispositivo de medição que pode ser mudado em relação à placa. Isto introduz os riscos de torções não detectadas, as quais podem influenciar a fiabilidade da medição da superfície. O invento tem como um dos seus objectivos proporcionar um aparelho de medição que é concebido para ser capaz de detectar o contorno de uma superfície de um elemento com inclinações "desordenadas" (do inglês "wilder"), em que ainda medições de forma podem ser feitas com grande exactidão até à enésima exactidão posicionai.

Com esta finalidade, o invento proporciona um aparelho do tipo referido no preâmbulo, compreendendo as características da reivindicação 1 anexa. Em particular, de acordo com o invento, a referida medição predeterminada da superfície é formada por uma superfície do referido dispositivo rotativo. 4 PE1668318

Proporcionando um dispositivo rotativo, especificamente, o invento permite que um sensor da distância que faz o varrimento do contorno seja colocado de uma maneira geral ortogonal em relação à superfície a ser medida, de modo a que de um sinal de medição da reflexão não seja perdido mas que possa adequadamente ser apanhado pelo sensor. Além disso, em particular, o invento tem como um beneficio, o facto dele permitir uma medição directa no próprio elemento rotativo. Por meio disto, não há erros de posicionamento introduzidos, por exemplo através de um suporte que rotativamente ligue o referido elemento rotativo à referida placa ou por via das faltas de exactidão na localização da placa. 0 aparelho do invento permite por isso uma medição ultra fina com a enésima precisão enquanto se mantém flexível no que respeita às inclinações no contorno da superfície a ser medida. A este respeito o aparelho além do mais compreende preferencialmente um segundo dispositivo de medição da distância, para medir numa segunda direcção uma segunda distância entre o referido dispositivo e uma posição seleccionada numa superfície de um elemento montado em relação com a referida estrutura de medição; e um dispositivo de medição da rotação para medir um ângulo de rotação entre as referidas primeira e a segunda direcções. Além disso, o aparelho pode compreender um terceiro dispositivo de medição da distância para medir numa terceira direcção uma terceira distância entre a referida placa e a referida estrutura de medição.

Embora tal sistema possa ser calibrado em relação 5 ΡΕ1668318 a um ângulo de rotação especifico do dispositivo de rotação, de modo a que a superfície de medição não necessite de ser perfeitamente circular, de preferência, a referida superfície de medição é invariante com a rotação (do inglês "rotation invariant"). Por "invariante com a rotação" quer-se dizer que as medições das superfícies permanecem invariantes pelo menos em relação a pequenas rotações discretas ou contínuas. Um exemplo de superfícies invariantes com a rotação são as formas poliédricas ou as formas circulares. Desta forma, uma medição da distância pode ser executada de uma maneira geral independentemente do ângulo de rotação do elemento rotativo.

Além disso, de preferência, pelo menos o referido primeiro dispositivo de medição da distância compreende um interferómetro e o referido elemento rotativo é formado por um elemento reflectivo que tem uma forma perfeitamente esférica ou cilíndrica sobre pelo menos a referida superfície medida. Um modelo de realização com uma forma cilíndrica efectivamente permite apenas uma rotação sobre um único eixo de rotação, orientado de preferência perpendicularmente às referidas primeira e segunda direcções. Um benefício de um tal eixo de rotação único consiste em os graus de liberdade do aparelho ficarem constrangidos, eliminando a possibilidade de aparecerem erros de posicionamento, etc. Contudo também se restringem as possibilidades de medir inclinações que estejam orientadas na direcção do referido eixo de rotação. Com esta finalidade, num modelo de realização onde o elemento 6 ΡΕ1668318 rotativo é rotativo segundo eixos múltiplos, por exemplo, onde o elemento rotativo compreende uma superfície perfeitamente esférica sobre pelo menos uma área da superfície de medição, também as inclinações segundo diferentes direcções podem ser medidas.

Num modelo de realização preferido, o referido elemento reflectivo está incluído num alojamento que se proporciona na referida placa, e em que o referido elemento reflectivo está ligado directamente ao segundo dispositivo de medição da distância, o referido alojamento compreende um elemento de focagem para focar a luz do referido primeiro dispositivo de medição da distância no referido elemento reflectivo de modo que o feixe da luz reflectiva, emane praticamente a partir do eixo central do referido elemento reflectivo. Desta forma, o feixe de reflexão é reflectido para trás para o interferómetro, de modo que a disposição seja de uma maneira geral insensível à divergência devida à superfície curva do elemento reflectivo e a um seu deslocamento lateral. De preferência, o referido elemento de focagem é uma lente cilíndrica e o referido elemento reflectivo é cilíndrico ou em alternativa, o referido elemento de focagem é uma lente esférica e o referido elemento reflectivo é esférico.

Num modelo de realização, a referida estrutura de medição compreende um espelho reflectivo, e em que a referida placa compreende um elemento de separação do feixe, em que um trajecto do feixe do referido primeiro 7 ΡΕ1668318 interferómetro de medição da distância se propaga directamente entre o referido espelho reflectivo, o referido elemento de separação do feixe está ligado a uma fonte de luz e o referido elemento de separação do feixe está além disso ligado a um detector da luz de interferometria. Esta configuração de interferometria permite que um feixe de referência de interferometria esteja ligado directamente à estrutura para a medição, de modo que a configuração seja de uma maneira geral insensível aos deslocamentos da referida placa ao longo do trajecto do referido feixe, quando o posicionamento do elemento reflectivo permanece inamovível. A fim de permitir mais graus de liberdade na configuração acima referida, num modelo de realização prático, a referida placa pode-se mover em duas direcções ortogonais e a referida placa compreende um terceiro dispositivo de medição a fim de medir, segundo uma terceira direcção, uma terceira distância entre a referida placa e a referida estrutura de medição sendo a terceira direcção ortogonal em relação à referida primeira direcção. Além disso, de preferência, o aparelho compreende uma montagem rotativa para montar um elemento a ser medido. A fim de detectar a inclinação do elemento em relação à referida montagem, a referida montagem compreende uma superfície de referência a fim de permitir uma medição em relação à referida estrutura de medição.

Na configuração do invento, para inclinações PE1668318 desordenadas, o feixe de reflexão pode ser reflectido divergentemente, mesmo se for feita uma utilização a partir de um feixe relativamente estreito. A fim de preservar um sinal reflectido suficientemente detectável, de preferência o referido segundo aparelho de medição da distância compreende um interferómetro que compreende um detector de focagem automática a fim de focar um feixe de interferometria do referido interferómetro numa posição seleccionada na referida superfície do referido elemento. Tal característica de focagem automática é em si conhecida a partir das publicações anteriormente referenciadas. Contudo, de preferência, o referido detector da focagem automática proporciona-se com um dispositivo de medição da distância focal a fim de medir a distância focal desde o referido detector de focagem automática até à referida posição seleccionada na referida superfície do referido elemento. Em combinação com o referido feixe de medição de interferometria, a referida medição da distância focal proporciona um plano do nível do zero absoluto a partir do qual a medição de interferometria pode ser construída. 0 nível zero é estabelecido dentro de uma exactidão do posicionamento do detector de focagem automática, a qual pode ser da ordem de poucas dezenas de enésimos, em que as variações relativas ao referido nível zero são estabelecidas com uma exactidão do posicionamento do detector de interferometria, a qual pode ser da ordem de poucos enésimos. Compreender-se-á que um tal dispositivo de medição da distância focal pode ser utilizado independentemente da anteriormente referida configuração de 9 PE1668318 medição do contorno.

Além do mais, de preferência, a referida segunda medição da distância de interferometria pode compreender um detector da inclinação a fim de detectar o grau da inclinação do referido elemento a ser medido. Um tal detector da inclinação é em si conhecido a partir das publicações anteriormente referidas. De preferência, o referido detector da inclinação está disposto para detectar o grau da inclinação do elemento a ser medido numa direcção ortogonal em relação às referidas primeira e segunda direcções. Especificamente, tal como se explicou anteriormente, a referida direcção pode de uma maneira geral corresponder a um eixo de rotação do elemento rotativo. Pequenas inclinações podem assim ser medidas ao longo deste eixo de rotação, enquanto se preservam os benefícios de um só eixo de rotação. A rotação dos referidos elementos rotativos pode ser provida independentemente do contorno medido da superfície, por exemplo num fornecimento de uma volta para a frente. Isto é possível quando a superfície a ser medida não é particularmente desordenada e sendo o seu contorno de uma maneira geral conhecido. Num modelo de realização preferencial contudo, o referido detector da inclinação está ligado à referida placa, de modo a se posicionar o referido segundo interferómetro de medição da distância ortogonalmente em relação a um contorno medido do referido elemento. 10 ΡΕ1668318 O invento além do mais proporciona um método do tipo mencionado no preâmbulo, que compreende as caracterís-ticas da reivindicação 17 anexa. Um tal método proporciona uma medição exacta da posição do referido dispositivo, de uma maneira geral independente do ângulo de rotação e/ou de erros de posicionamento da referida placa.

Além disso o invento será ilustrado fazendo referência aos desenhos anexos. Nos desenhos: A Figura 1 mostra numa vista esquemática parcial um modelo de realização do aparelho de acordo com o invento; A Figura 2 mostra um modelo de realização preferencial que tem uma placa móvel e um guiamento da luz montado na referida placa; A Figura 3 mostra um modelo de realização alternativo do aparelho de acordo com o invento; A Figura 4 mostra de uma maneira geral uma configuração do aparelho de acordo com o invento; A Figura 5 mostra uma vista esquematizada em perspectiva do aparelho de acordo com o invento; A Figura 6 mostra um modelo de realização preferencial de um sensor da distância do contorno varrido; 11 ΡΕ1668318 A Figura 7 mostra uma utilização tipica do elemento de focagem automática no sensor da distância de varrimento do contorno da Figura 6; e A Figura 8 mostra uma análise de um raio da configuração do interferómetro preferido para o aparelho de medição das distâncias de acordo com o invento.

Nos desenhos, os mesmos ou os elementos correspondentes serão referenciados com o mesmo número de referência. Voltando à Figura 1 está aí representada uma configuração de um aparelho de medição 1 para medir uma posição de um dispositivo rotativo 2 numa placa móvel 3. Na Figura 1, o dispositivo rotativo pode ser qualquer dispositivo rotativo, por exemplo uma ferramenta para moldagem ou uma peça de trabalho de um dispositivo para fabrico com elevada precisão, um dispositivo de calibração para medir a exactidão de uma máquina, ou semelhante. No restante, a descrição terá um enfoque dirigido para as configurações dos aparelhos de medição, em que o dispositivo de rotação compreende um sensor do varrimento das distâncias do contorno de um elemento a ser medido; e um dispositivo de medição da rotação para medir um ângulo de rotação entre as referidas primeira e segunda direcções. Uma tal configuração será posteriormente elaborada segundo as Figuras 4 e 5 e pode ser utilizado como um aparelho de medição do contorno. 0 aparelho 1 do invento compreende uma estrutura 12 ΡΕ1668318 para a medição 4. Tal estrutura de medição 4 é considerada fixa em relação ao mundo exterior, e com esta finalidade é mantida de preferência tão estacionária quanto possível. Independentemente da referida estrutura de medição 4, uma placa 3 é móvel em relação à referida estrutura de medição 4. Na placa 3 proporciona-se um dispositivo rotativo 2, por exemplo, um sensor da distância do contorno varrido. Na Figura 1 mostra-se que a placa 3 é móvel segundo duas direcções ortogonais (indicadas pelas setas R e Z) . Os sistemas de guiamento com precisão da placa 3 não se mostram mas serão posteriormente ilustrados com referência aos desenhos subsequentes. 0 aparelho compreende dois dispositivos independentes 5, 6 de medição das distâncias a fim de medir em direcções ortogonais uma distância R e uma distância Z respectivamente, entre a referida placa 3 e a referida estrutura para a medição 4. Os dispositivos 5, 6 de medição da distância são de preferência interferómetros heteróginos, mas também podem ser utilizados outros tipos de medidores de distâncias sem contacto, por exemplo interferómetros de luz branca ou interferómetros de distância absoluta. A Figura 1 mostra que a superfície de medição predeterminada, em relação à qual é realizada uma medição de distância, é uma superfície 7 de medição reflectiva do referido elemento rotativo 2. Na forma de um sensor das distâncias do contorno varrido, especificamente, o invento permite que o sensor 2 seja colocado de uma maneira geral ortogonalmente em relação à superfície a ser medida, de modo a que um sinal da medição reflectido não se perde mas pode ser adequadamente apanhado pelo sensor 2 das 13 ΡΕ1668318 distâncias do contorno varrido. Em particular, o invento permite uma medição directa no próprio sensor rotativo 2. Através disto, não há erros de posição introduzidos, por exemplo através de um suporte 8 que ligue rotativamente o referido elemento rotativo 2 à referida placa 3 ou através das inexactidões da localização da placa 3. 0 aparelho 1 do invento permite por isso uma medição ultra fina com um enésimo de precisão. A Figura 1 mostra além disso que o dispositivo rotativo 2 tem uma forma cilíndrica. Nesta configuração, todos os movimentos se verificam num único plano, e as rotações só ocorrem segundo eixos de rotação com uma direcção perpendicular ao referido plano. Uma tal configuração oferece uma boa localização com exactidão e estabilidade. Outras formas, tais como as formas esféricas, permitem rotações em outras direcções. Além disso, com referência à Figura 3 é discutida uma forma regular poliédrica. 0 dispositivo rotativo 2 que tem a superfície reflectiva 7 está compreendida num alojamento (não representado) que se proporciona na referida placa 3. Um tal alojamento proporciona um suporte 8, tal como um suporte a ar ou semelhante. Para a enésima medição com precisão do posicionamento do dispositivo de rotação 2 na superfície reflectiva 7 forma-se uma parte fixa em relação ao referido segundo dispositivo 2, por exemplo formando uma parte integral com o dispositivo 2. Além do mais, os elementos de focagem 9 estão presentes para focar a luz a partir do referido primeiro dispositivo de medição das 14 ΡΕ1668318 distâncias na referida superfície de medição reflectiva 7, de modo que um feixe de luz reflectiva emane praticamente do eixo central do referido dispositivo rotativo 2. Um tal feixe de luz tem origem num dispositivo 10 de laser heteródino, que produz substancialmente luz com dois comprimentos de onda muito próximos tal como é sabido nesta técnica.

No modelo de realização que se mostra na Figura 1, estes elementos de focagem 9 são lentes cilíndricas, as quais em conjunto com a superfície reflectiva cilíndrica formam um sistema de lentes que reflecte para trás um feixe substancialmente paralelo na direcção dos detectores de interferometria 5 e 6 respectivamente.

Tal como se representa um detector 5 está disposto para medir uma distância relativa na direcção Z, e em que o detector 6 está disposto para medir a distância relativa na direcção R.

Além disso, em virtude da presença dos referidos elemento de focagem 9, os deslocamentos da superfície reflectiva relativamente lateral ao referido feixe são cancelados e a detecção da posição permanece virtualmente insensitiva em relação a tais deslocamentos tal como deverá ser. No entanto o sistema de guiamento da luz será a seguir explicado com referência à Figura 8, com a finalidade de compreender a Figura 1, o aparelho de acordo com o invento compreende um dispositivo de interferometria com elementos 15 ΡΕ1668318 11 de separação do feixe que se movem em conjunto com a placa 3 ao longo das linhas paralelas ao eixo dos R ou ao eixo dos Z respectivamente. Os elementos 11 de separação do feixe estão ligados ao laser 10 e aos detectores 5 e 6 da luz de interferometria respectivamente através de uma estrutura de guiamento da luz, esquematicamente ilustrada pelas linhas tracejadas 12. Desta forma, os trajectos dos feixes 13, 14 do referido dispositivo de interferometria propagam-se entre respectivamente os espelhos reflectivos 15, 16 que formam superfícies de referência na referida estrutura 4 para a medição, os respectivos referidos elementos 11 para a separação do feixe e a superfície 7 de medição reflectiva. Segue-se que no modelo de realização representado na Figura 1, um dispositivo de interferometria para a medição de uma distância R ao longo do feixe 14 compreende um laser 10, um separador 11 do feixe, um espelho reflectivo 16 de referência, uma superfície de medição reflectiva 7 e um detector de interferometria 6. O dispositivo de interferometria para a medição da distância Z ao longo do feixe 13 entre a referida estrutura de medição 4 e a referida superfície 7 de medição reflectiva compreende o laser 10, o elemento de separação 11 do feixe, o espelho reflectivo 5 de referência, a superfície 7 de medição reflectiva e o detector de interferometria 5. Outras particularidades desta configuração serão descritas ao fazer referência à Figura 8.

Na Figura 1 as estruturas de guiamento da luz a partir do laser 10 por via dos respectivos separadores 11 16 ΡΕ1668318 do feixe, para os detectores de interferometria 5 e 6, mostram-se apenas esquematicamente por meio das linhas a tracejado 12. Na Figura 2 eles são mais elaborados numa configuração preferida de guiamento da luz, assim como se tornam aparentes particularidades relativas a uma actuação preferida da placa 3. A configuração do guiamento da luz compreende um espelho de guiamento 17 e um separador 18 do feixe (não polarizador) o qual distribui a luz do feixe proveniente do laser 10 até aos separadores polarizadores 11 do feixe para os respectivos dispositivos de interferometria R e Z (heteródinos). Esta configuração proporciona que o laser 10 e os detectores 5 e 6 respectivamente estejam bem alinhados ao longo do eixo R e que os respectivos detectores 5 e 6 recebam um sinal independente da posição R/Z da placa 3. Em particular os separadores 11 do feixe podem-se mover livremente ao longo de uma perna-R 19 e de uma perna-Z 20 dos respectivos feixes de laser paralelos aos eixos R e Z, enquanto mantêm substancialmente as suas posições no feixe de laser. Tal como será explicado fazendo referência à Figura 8, este movimento introduz uma não detecção dos erros, uma vez que a detecção é relativamente independente da distância dos referidos separadores 11 aos espelhos de referência 15 e 16 respectivamente. Tal como na actuação preferencial da placa 3, a placa 3 move-se em relação ao guiamento 21 da placa que se pode apenas mover segundo a direcção R. A placa 3 move-se segundo a direcção Z em relação ao guiamento 21 da placa que só se pode mover segundo a direcção R. O referido guiamento 21 da placa contém um dispositivo de guiamento da 17 PE1668318 luz sob a forma de um separador 18 e um espelho 17 de guiamento. Na perna-R 19, o separador 11 do feixe está posicionado no referido guiamento 21 da placa para separar o feixe de laser da perna-R para a direcção do trajecto 13 do feixe. Na perna-Z 20, o separador 11 do feixe está posicionado na placa 3 e move-se ao longo da perna-Z 20, enquanto se separa a luz a partir da perna-Z na direcção do trajecto 14 do feixe. Uma vez que só se faça uso de espelhos separadores e de espelhos de guiamento em número limitado, pode-se manter uma elevada exactidão.

Na Figura 3 mostra-se um modelo de realização alternativo do invento. Aqui, em relação ao modelo de realização da Figura 2, basicamente é permitida mais liberdade na concepção do guiamento da luz, utilizando guiamentos da luz flexíveis sob a forma das fibras 22. Estas fibras 22 permitem que o laser 10 e os detectores 5 e 6 sejam colocados em posições relativamente independentes do movimento da placa. Além do mais, os separadores 11 e 18 podem-se agora proporcionar ambos na placa 3, reduzindo os erros de posicionamento relativos e facilitando o alinhamento. Para a configuração de interferometria, o guiamento 21 da placa já não é mais utilizado. Em vez da forma perfeitamente circular da secção transversal do elemento reflectivo 2, na Figura 3 é utilizada uma forma poliédrica regular, permitindo uma superfície de reflexão relativamente plana de medição dos feixes 13 e 14. Aqui o feixe não é reflectido divergentemente na superfície de medição 7 reflexiva mas propaga-se directamente para trás 18 ΡΕ1668318 para os separadores 11 do feixe e para os respectivos espelhos reflectivos 15 e 16.

As Figuras 4 e 5 mostram uma vista esquemática geral em secção transversal e uma vista em perspectiva do aparelho 23 de medição do contorno da superfície. 0 referido aparelho compreende uma haste rotativa 24 para montar um elemento a ser medido 25 (esquematicamente referenciado pela seta circular Θ). 0 elemento a ser medido 25 pode ser um elemento óptico tal como uma lente ou um elemento óptico asférico. A este respeito o termo asférico indica um elemento que pode ser simétrico rotativamente ao longo do eixo de rotação 2 6 da haste 24 mas que se desvia de uma forma esférica ao longo de um contorno radial indicado pela referência 27. Contudo, o elemento asférico 25 pode não ser simétrico rotativamente conforme será melhor explicado mais abaixo. Acima da referida haste rotativa 24 um sensor 2 da distância do contorno varrido está presente e é rotativo, esquematicamente indicado pelo ângulo de rotação φ. 0 sensor 2 da distância mede a distância relativa s a uma posição seleccionada na superfície de um elemento 25 montado na referida haste 24. Esquematicamente indicada (de preferência sem contacto) pelos elementos 28 de medição/referência, a posição da haste 24 é medida em relação à estrutura 4 de medição. Além disso, o desalinhamento radial da haste é medido. Para também detectar a inclinação do elemento 25 em relação à referida haste 24, a referida haste 24 compreende uma outra superfície de referência (não representada). Desta forma, a 19 PE1668318 volta de medição fecha-se, ligando cada posição no elemento 25 directamente à estrutura de medição 4 de modo a que a posição relativa do elemento 25 na direcção da referida estrutura de medição 4 é conhecida. Uma vez que tal alinhamento medição/referência é conhecido na técnica, isto não será mais elaborado. 0 ângulo φ de rotação do sensor 2 da distância é conhecida por um dispositivo de medição da rotação, na Figura 1 - Figura 3 está esquematicamente indicado pela referência 29. A partir da Figura 4 segue-se, que todas as posições medidas são conhecidas em relação à estrutura de medição 4. Por meio do aparelho 1 de acordo com o invento, o contorno da superfície do elemento 25 pode ser conseguido sem se introduzirem erros Abbe devidos ao alinhamento, uma vez que se é capaz de medir a posição do sensor da distância rotativo 2 medindo directamente numa superfície de medição 7 provida no referido sensor da distância rotativo 2. A fim de além disso eliminar os erros de medição, o aparelho 1 está montado sobre os pilares 30 de absorção dos choques que proporcionam uma medição relativamente livre das vibrações do ambiente circundante. A Figura 6 mostra um modelo de realização preferido do sensor 2 de varrimento do contorno da superfície. O sensor compreende uma disposição em duas partes, tendo uma parte 31 de interferometria (heteródina) para realizar uma diferença do trajecto óptico efectivamente medida entre uma perna 32 de referência e uma 20 ΡΕ1668318 perna 33 de medição; e uma parte 34 de focagem automática tal como será melhor explicado a seguir. A perna 33 de medição desloca-se ao longo da parte 34 de focagem automática e é reflectida para trás numa superfície varrida 35 que faz parte de um elemento a ser medido. A medição da diferença do trajecto óptico da perna de medição 33 em relação à perna 32 de referência na parte 31 de interferometria proporciona uma precisão de (sub) nanómetro do deslocamento da superfície 35 varrida em relação a uma posição fixa de referência da parte 31 de interferometria. O núcleo da disposição 31 de interferometria é essencialmente formada pelo separador 36 do feixe polarizado, o qual se proporciona com quartos das placas lambda 37 a fim de proporcionar a desejada trajectória do feixe para o feixe de medição 33 e para o feixe de referência 32. A medição de interferometria é essencialmente realizada por meio de uma disposição formada pelo laser 10 (o qual pode ser o mesmo ou um laser diferente utilizado na disposição de medição da distância representada nas figuras anteriores), pelo detector de interferometria 38, pelo separador 36 de polarização do feixe, pela superfície de referência 39 e pela superfície varrida 35.

Para manter o feixe de varrimento 33 no foco, proporciona-se um dispositivo de focagem automática 34 na perna 33 de medição para focar o feixe de varrimento 33 em relação a uma posição seleccionada na superfície 35 do 21 ΡΕ1668318 elemento 25. Com esta finalidade o dispositivo de focagem automática 34 compreende um separador 40 do feixe (não polarizado) que encaminha uma parte do feixe 33 de varrimento reflectido na direcção da unidade de detecção 41. A unidade de detecção 41 detecta uma diferença no equilíbrio e/ou a posição de um par de marcas 42 para focagem, a fim de medir uma inclinação e/ou na focagem do feixe de varrimento. A Figura 7 mostra os efeitos de tal focagem e/ou das posições inclinadas: (1) mostra uma superfície varrida 35 pelo do feixe 33 de varrimento focado e a qual tem uma posição de nível, em que duas marcas 42 do detector estão centradas; (2) mostra a superfície varrida 35 fora de focagem, onde as duas marcas 42 do detector ainda estão equilibradas mas fora do centro; (3) mostra a superfície varrida inclinada 35, onde é detectada um desequilíbrio entre as marcas 42 do detector. Na Figura 7, os sinais reflectidos estão representados por linhas a tracejado.

A inclinação da superfície varrida 35 pode ser medida através da detecção da referida inclinação. A referida inclinação pode também ser medida em mais direcções utilizando versões generalizadas desta configuração que tenham mais do que duas marcas 42 do detector.

De outro modo, tal como se indica fazendo referência à Figura 4, a inclinação da superfície 35 pode só ser medida na direcção tangencial da haste rotativa 24, 22 ΡΕ1668318 uma vez que a inclinação radial é medida (indirectamente) utilizando o dispositivo de interferometria 2. 0 sensor 2 da distância de interferometria tendo a focagem automática oferece uma medição da distância absoluta adicionalmente em relação à medição de interferometria (relativa). Por outras palavras, utilizando a detecção de interferometria, um deslocamento relativo é medido através da diferença na medição do trajecto óptico na perna de referência 32 e na medição na perna 33. Isto estabelece um contorno medido que tem um nivel zero não fixado. Com esta finalidade, o dispositivo 34 de focagem automática compreende um dispositivo 43 de medição da distância focal a fim de medir uma distância focal do referido detector de focagem automática à superfície varrida 38 do elemento 30. Este dispositivo pode ser um medidor da distância capacitivo ou um medidor da distância indutor. Em alternativa um elemento linear em vidro pode ser utilizado para proporcionar uma distância absoluta em relação à superfície de medição 7/estrutura de medição 4. O dispositivo 2 tal como se mostra é por isso capaz de estabelecer uma medição da distância absoluta dentro da exactidão do dispositivo 34 de focagem automática com o dispositivo de medição 43 da distância focal; e a medição da distância relativa dentro da resolução do dispositivo 31 de interferometria. Deverá ficar claro que o sensor de varrimento do contorno tal como se mostrou pode também ser utilizado em configurações não rotativas. A Figura 8 mostra a insensibilidade relativa aos 23 ΡΕ1668318 (pequenos) deslocamentos de um elemento 11 de separação do feixe representado nas Figuras 1-3. Na figura, o elemento de separação 11 do feixe muda ao longo de uma distância indicada por d. 0 trajecto do feixe para o elemento de separação 11 que não mudou está representado por uma linha cinzenta como o feixe de medição Ml e o feixe de referência Rl; o trajecto do feixe para o elemento de separação 11 que mudou está representado pelas linhas pretas como o feixe de medição M2 e o feixe de referência R2. Os feixes Rl e Ml (e os feixes que mudaram R2, M2 respectivamente) são feixes polarizados ortogonais um em relação ao outro e transmitidos pelo laser heteródino 10. Os feixes Rl, Ml interferem depois de rodar a polarização com um sinal beta, isto é ligeiramente mudados pelos efeitos Doppler causados pelas variações relativas entre os dois feixes. A disposição é tal que o feixe de referência Rl é transmitido livremente pelo separador 11 do feixe na direcção do detector 5. O feixe de medição Ml é contudo, devido ao seu estado de polarização ortogonal em relação a Rl, reflectido pelo separador 11 do feixe de polarização na direcção do espelho de referência 15. Na direcção e vindo do referido espelho de referência 15 ele passa duas vezes pela placa 44 de quarto de lambda o que resulta efectivamente em 90° em relação à rotação da polarização, de modo que, na entrada do separador 11 do feixe de polarização, o feixe Ml tem agora o mesmo estado de polarização que Rl e é transmitido livremente pelo separador 11 do feixe na direcção da superfície a medir 7. No seu caminho na direcção da superfície 7 ele passa de novo pela placa 44 de quarto de 24 ΡΕ1668318 lambda, que também passou no caminho para trás. Tal atravessamento duplo da placa 44 resulta numa outra mudança de polarização de 90°, que resulta na reflexão pelo separador 11 do feixe na direcção do detector 5. Na Figura 8 mostra-se como é que o feixe de medição Ml e o feixe de referência RI são mudados depois de um pequeno deslocamento do separador de feixes. Mostra-se que a diferença do trajecto óptico entre o feixe de referência (Rl, R2) e o feixe de medição (Ml, M2) não é afectada pela referida mudança, resultando numa medição não afectada da distância (variações) entre o espelho de referência 15 e a superfície de medição 7. Segue-se que a disposição de guiamento da luz tal como está representado nas Figuras 1-3 não adiciona erros na detecção da posição, uma vez que a posição dos elementos 11 de guiamento da luz são relativamente sem importância.

Embora o invento tenha sido ilustrado com referência a um determinado modelo de realização preferido, o invento não é por ele limitado mas pode incluir variações e modificações sem se sair do alcance do invento tal como é definido nas reivindicações anexas.

Lisboa, 10 de Maio de 2007

Claims

ΡΕ1668318 1 REIVINDICAÇÕES 1. Aparelho de medição de superfícies para medir uma posição numa superfície de um elemento a ser nele montado, que compreende: uma estrutura de medição que compreende um suporte para montar o elemento a ser medido; uma placa que compreende um dispositivo rotativo, sendo a placa móvel segundo pelo menos uma primeira direcção em relação à referida estrutura de medição; e um dispositivo de medição da distância sem contacto a fim de medir na referida primeira direcção uma distância entre a referida estrutura de medição e uma predeterminada superfície de medição que se proporciona no referido dispositivo rotativo, o referido dispositivo rotativo compreendendo além disso: um segundo dispositivo de medição da segunda distância, para medir numa segunda direcção uma segunda distância entre o referido dispositivo e uma posição seleccionada numa superfície de um elemento montado em relação à referida estrutura de medição; e um dispositivo de medição da rotação para medir um ângulo de rotação entre as referidas primeira e segunda direcções. 2 ΡΕ1668318
2. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, em que a referida superfície de medição é rotativamente invariável.
3. Aparelho de acordo com as reivindicações 1 -2, em que pelo menos o referido primeiro dispositivo de medição da distância compreende um interferómetro e a referida superfície de medição é formada por um elemento reflectivo que tem uma forma poliédrica ou circular sobre pelo menos a referida superfície de medição.
4. Aparelho de acordo com a reivindicação 3, em que o referido elemento reflectivo está contido num alojamento que se proporciona na referida placa, e em que o referido elemento reflectivo está directamente ligado ao segundo dispositivo de medição da distância, compreendendo o referido alojamento um elemento de focagem a fim de dirigir a luz proveniente do referido primeiro dispositivo de medição da distância sobre o referido elemento reflectivo, de modo a que praticamente emane um feixe de luz reflectiva a partir do eixo central do referido elemento reflectivo.
5. Aparelho de acordo com as reivindicações 3 -4, em que o referido elemento de focagem é uma lente cilíndrica e o referido elemento reflectivo é cilíndrico ou em que o referido elemento de focagem é uma lente esférica e o referido membro reflectivo é esférico. 3 ΡΕ1668318
6. Aparelho de acordo com qualquer uma das precedentes reivindicações 3-5, em que a referida estrutura de medição compreende um espelho reflectivo, e em que a referida placa compreende um elemento de separação do feixe, no qual o trajecto do feixe do referido primeiro interferómetro de medição da distância se propaga directamente entre o referido espelho reflectivo, o referido elemento de separação do feixe e o referido elemento reflectivo, onde o referido elemento de separação do feixe está liqado a uma fonte de luz, estando além disso o referido elemento de separação do feixe ligado a um detector da luz de interferometria.
7. Aparelho de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, em que a referida placa é móvel em duas direcções ortogonais e a referida placa compreende um terceiro dispositivo de medição da distância para medir numa terceira direcção uma terceira distância entre a referida placa e a referida estrutura de medição, sendo a referida terceira direcção ortogonal em relação à referida primeira direcção.
8. Aparelho de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, que além do mais compreende um suporte rotativo para montar um elemento a ser medido.
9. Aparelho de acordo com a reivindicação 8, em que o referido suporte compreende uma superfície de referência a fim de permitir uma medição em relação à 4 ΡΕ1668318 referida estrutura de medição.
10. Aparelho de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, em que o referido segundo aparelho de medição da distância compreende: uma parte de interferometria para produzir um feixe de medição de interferometria; uma parte focal móvel para focar o referido feixe de interferometria para uma posição seleccionada na referida superfície do referido elemento, um detector de interferometria para receber o referido feixe de interferometria proveniente da referida posição seleccionada e para medir uma distância entre a referida parte de interferometria e a referida posição seleccionada; uma unidade para conduzir automaticamente a referida parte focal para uma posição focalizada; e um dispositivo de medição da distância focal para medir uma posição relativa entre a referida parte focal e a referida parte de interferometria.
11. Aparelho de acordo com a reivindicação 10, em que o referido dispositivo de medição da distância de focagem compreende um medidor da distância indutivo e/ou capacitivo ou um elemento linear em vidro ou semelhante.
12. Aparelho de acordo com a reivindicação 10, em que o referido dispositivo de medição da distância focal está ligado ao referido detector de interferometria a fim 5 ΡΕ1668318 de proporcionar um nível de zero absoluto para uma medição de interferometria realizada pelo referido detector.
13. Aparelho de acordo com a reivindicação 11, em que o referido dispositivo de medição da distância focal compreende um medidor da distância a fim de medir uma distância relativa do interferómetro em relação à focagem automática.
14. Aparelho de acordo com as reivindicações 10 -13, em que o referido segundo interferómetro de medição da distância compreende um detector de inclinação a fim de detectar o nível de inclinação do referido elemento a ser medido.
15. Aparelho de acordo com a reivindicação 14, em que o referido detector da inclinação está disposto para detectar um nível de inclinação do elemento a ser medido numa direcção ortogonal em relação às referidas primeira e segunda direcções.
16. Aparelho de acordo com a reivindicação 14 ou 15, em que o referido detector da inclinação está ligado à referida placa, de modo a posicionar o referido segundo dispositivo de medição da distância ortogonalmente a um contorno medido do referido elemento.
17. Método para medir uma posição numa superfície de um elemento, que compreende: 6 ΡΕ1668318 proporcionar uma estrutura de medição; proporcionar uma placa móvel em relação à estrutura e que compreende um dispositivo que é rotativo em relação à placa; proporcionar uma superfície de medição predeterminada no referido dispositivo rotativo; medir directamente numa primeira direcção uma primeira distância entre a referida estrutura de medição e a referida superfície de medição predeterminada que se proporciona no referido dispositivo rotativo; medição numa segunda direcção de uma segunda distância entre o referido dispositivo rotativo e uma posição seleccionada numa superfície de um elemento montado em relação à referida estrutura de medição; e medir um ângulo de rotação entre as referidas primeira e segunda direcções. Lisboa, 10 de Maio de 2007