Metrologie in fünfachsigen Nanomess- und Nanopositioniermaschinen

Die vorliegende Arbeit stellt ein neuartiges Konzept fur eine funfachsige Nanomessmaschine zur Messung von Formabweichungen auf stark gekrummten Aspharen oder Freiform-Flachen vor. Bis zu einem Anstieg von bis zu 60° der Messobjektoberflache kann der Sensor orthogonal zu dieser ausgerichtet werden. Unter vollstandiger Einhaltung des Abbe-Komparatorprinzips wird das Messobjekt translatorisch in einem Bereich von 25mm 25mm 5mm relativ zu dem um zwei Rotationsachsen drehbaren Sensor bewegt. Die Messachsen der translatorischen Positionsmessung schneiden sich im so genannten Abbe-Punkt. Dieser Abbe-Punkt ist gleichzeitig auch der Antastpunkt des Sensors und der konstante Momentanpol der beiden Rotationsachsen zur Sensorrotation, die sich rechtwinklig in dem Abbe-Punkt schneiden. Zur Bestimmung der zufalligen und systematischen Positionsabweichungen des Sensors in Folge seiner Rotation wird ein Referenzmesssystem vorgestellt. Dieses besteht aus drei fest mit dem Sensor verbundenen, kartesisch angeordneten Fabry-Perot-Interferometern, die kontinuierlich den Abstand des Sensors zu der Innenflache einer Referenzhemisphare messen. Die Messstrahlen der Fabry-Perot-Interferometer schneiden sich dabei virtuell im Abbe-Punkt. Um die Formabweichung dieser Referenzhemisphare zu bestimmen, wird ein in-situ-Kalibrierverfahren beschrieben, das die Bestimmung der Formabweichung mit den im System vorhanden Sensoren im Einbauzustand erlaubt. Dazu wird der Sensor durch einen Kugelreflektor im Abbe-Punkt (Kugellinse n=2) ersetzt. Dessen Positionsabweichung wird wahrend der Rotation gemessen und zur Bestimmung der Formabweichung der Referenzhemisphare genutzt. Basierend auf diesen Erkenntnissen wurde ein Prototyp des vorgestellten Konzepts aufgebaut und die Funktion des Referenzmesssystems verifiziert. Uber einen grosen translatorischen Verschiebungsbereich von 80 μm, kann die Verschiebung des Antastpunktes mit Hilfe des Referenzmesssystems auf +-200nm erfasst werden. Eine Wiederholungsmessung zwischen zwei Stellungen des Rotationssystems zeigte, dass die Antastpunktposition mit einer maximalen Abweichung von 27nm bestimmt werden kann. Die ausfuhrliche theoretische Messunsicherheitsbetrachtung auf Grundlage von sechs Untermodellen ergibt eine Messunsicherheit fur die Bestimmung des Antastpunktes von maximal 18nm p = 68%.