CH695914A5 - Vorrichtung und Verfahren zur optischen Erfassung von Gegenständen. - Google Patents

Description

  [0001] Die Erfindung betrifft die optische Abstandsmessung und die optische Erfassung von Gegenständen. Im Speziellen betrifft sie eine Vorrichtung und eine Verfahren zur optischen Abstandsmessung und/oder optischen Erfassung von spiegelnden Oberflächen.

[0002] Ein Beispiel eines herkömmlichen optischen Sensors 1 ist in der Fig. 1gezeichnet: Ein durch einen Laser 2 erzeugter Lichtstrahl 11 fällt auf das Objekt 12 und wird dort mindestens teilweise diffus gestreut. Streulicht wird von einer Empfangsoptik 3 unter einem Winkel empfangen, der vom Abstand abhängig ist. Der Winkel wird im Empfänger bestimmt.

[0003] Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass es für spiegelnde Oberflächen nicht funktioniert, da es auf der diffusen Streuung beruht. Die genaue Erfassung der Lage von spiegelnden Oberflächen ist unter anderem in der Verarbeitung von Silizium-Wafern notwendig.

   Hier besteht die Schwierigkeit, dass diese hochreinen und polierten Oberflächen kaum Streulicht erzeugen. Dieses würde aber von herkömmlichen optischen Sensoren benötigt, um ein Objekt zu erfassen.

[0004] Als Lösung gibt es die Möglichkeit mit sehr starken Lasern die Menge an Streulicht zu erhöhen und so zu einer Erfassung zu gelangen. Der Nachteil der Methode besteht in den Gefahren, die vom starken Laser für das Augenlicht der Anwender ausgehen.

[0005] Eine weitere Möglichkeit besteht darin den optischen Sender und Empfänger so anzuordnen, dass das vom spiegelnden Objekt reflektierte Licht direkt in den Empfänger gelenkt wird.

   Nachteil dieser Methode ist es, dass Sender, "Spiegel" und Empfänger sehr präzis aufeinander ausgerichtet werden müssen.

[0006] Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, Informationen über Anwesenheit und/oder Abstand von Objekten mit einem optischen Verfahren zu gewinnen, wenn die Objekte spiegelnd sind und eine geringe Lichtstreuung aufweisen.

[0007] Diese Aufgabe wird gelöst durch die in den Patentansprüchen definierte und in der folgenden Beschreibung an Beispielen illustrierte Erfindung.

[0008] Die Erfindung löst die Aufgabe ohne die Nachteile der anderen Verfahren.

[0009] Die Erfindung nutzt diese ansonsten nachteiligen Eigenschaften um mit Hilfe des spiegelnden Objekts den Beleuchtungs- und den Beobachtungsstrahlengang auf ein leichter zu erfassendes, mindestens teilweise diffus streuendes Objekt zu lenken.

   Im Folgenden wird der Einfachheit halber das spiegelnde, zu erfassende Objekt "Spiegel" genannt, das diffus streuende Objekt "Reflektor". Der "Spiegel" muss nicht unbedingt ein Spiegel im herkömmlichen Sinn des Wortes sein, sondern kann irgendein Objekt sein, das eine reflektierende oder teilweise reflektierende Oberfläche aufweist, bspw. auch eine Glasscheibe.

[0010] Dadurch wird im Falle der Abstandsmessung die Summe der Abstände vom Sensor zum "Spiegel" und vom "Spiegel" zum Reflektor erfasst. Ändert sich der Abstand des "Spiegels" zum Sensor, so ändert sich je nach Wahl der Geometrie das Messergebnis um bis das Doppelte.

[0011] Die Erkennung der Anwesenheit des "Spiegels" kann präzis über den Beleuchtungsstrahlengang durchgeführt werden.

   Nur wenn die Beleuchtung (im Idealfall ein sehr kleiner Brennpunkt) auf den "Spiegel" fällt, kann der Empfänger, der auch über den "Spiegel" beobachtet ein Signal erfassen. Je nach Anordnung und Strahldurchmesser, kann so genau bestimmt werden, wann ein "Spiegel" in den Strahlengang einfährt.

[0012] Ein Vorteil der Erfindung ist, dass der Reflektor gross im Vergleich zum Messstrahl sein kann und damit eine präzise Justage nicht nötig wird. Der Reflektor kann ein einfaches, bspw. weisses Objekt (z.B. Keramik etc.) sein.

   Eine genaue Ausrichtung des Winkels dieses Teils der Vorrichtung ist nicht nötig.

[0013] Besonders vorteilhaft für die Funktion der Erfindung ist, wenn der "Spiegel" eine Grösse aufweist, die einen Grossteil des Strahlengangs durchlässt.

[0014] Nicht nur Triangulationssysteme können diese Methode nutzen, sondern auch Laufzeitsysteme, koaxiale Systeme etc.

[0015] Der Strahlengang muss nicht einer bestimmten Geometrie entsprechen, sondern kann auf die Erfassung verschiedener Lagekoordinaten des Objekts angepasst werden.

[0016] Als Lichtquelle kann sowohl ein Laserstrahl, als auch LEDs oder eine andere Lichtquelle verwendet werden.

[0017] Im Folgenden werden noch Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren etwas detaillierter beschrieben.

   In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. analoge Elemente.

[0018] Es zeigen:
<tb>Fig. 1<sep>eine Anordnung mit einem Beleuchtungssensor gemäss dem Stand der Technik


  <tb>Fig. 2, 3 und 4<sep>Anordnungen gemäss der Erfindung,


  <tb>Fig. 5<sep>eine zu den Fig. 2 und 3 ähnliche Anordnung, wobei an der Oberfläche des "Spiegels" eine leichte Streuung stattfindet.

[0019] Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, welche benutzt werden kann, wenn die Erfindung zur Erfassung des Einfahrens des "Spiegels" in ein definiertes Feld eingesetzt werden soll. Sobald der Laserstrahl 11 auf den - leicht geneigten - Spiegel 12 trifft, wird er auf einen Reflektor 4 gelenkt. Von diesem wird Licht diffus gestreut und anschliessend vom Spiegel 12 wieder reflektiert, um schliesslich von der Lichtempfangsmitteln erfasst zu werden. Der Spiegel muss leicht geneigt sein, ansonsten ist eine Justage aber unnötig.

[0020] Die Lichtempfangsmittel besitzen eine Empfangsoptik 3 sowie lichtempfindliche Elemente der an sich bekannten Art.

   Sie sollen hier nicht näher ausgeführt werden, genauso wenig wie entsprechende integrierte oder externe Auswertemittel.

[0021] Das Anordnen des Reflektors 4 in einer Vorderfront des Sensors 1 ist in vielen Fällen vorteilhaft, aber nicht notwendig.

[0022] Fig. 3 zeigt, wie man mit dem erfindungsgemässen Vorgehen eine Triangulationsmessung durchführen kann. Der Abstand des Spiegels 12 wird gemessen. Analog zur Ausführungsform der Fig. 2 wird der durch die Lichtquelle erzeugte Lichtstrahl vom Spiegel an den Reflextor 4 zurückgeworfen. Das von diesem gestreute Licht wird vom Spiegel wieder reflektiert und auf die Empfangsoptik gelenkt. Dort wird der Winkel bestimmt, unter dem der vom Spiegel reflektierte Lichtpunkt auf dem Reflektor gesehen wird. Jede Abstandsänderung des Spiegels 12 erzeugt eine Veränderung des Messwerts um den doppelten Betrag.

   Das bedeutet auch, dass dieses Vorgehen eine um einen Faktor 2 erhöhte Messempfindlichkeit mit sich bringt.

[0023] Der Strahlengang muss notwendigerweise nahezu senkrecht zu einer Frontfläche des Sensors bzw. zum Spiegel sein, sondern kann auch unter einem grossen Winkel genutzt werden. In dem Fall ist die Erfassung der seitlichen Verschiebung eines Objekts möglich. Eine solche Anordnung zeigt Fig. 4. Die Figur zeigt die Nutzung eines Triangulationssensors 1 der an sich bekannten Art zur Abstandsmessung über einen Spiegel 12. Jede Abstandsänderung des Spiegels 12 erzeugt eine Veränderung des Messwerts um das doppelte. In dieser Anordnung können wahlweise bzw. gleichzeitig verschiedene Richtungen erfasst werden.

[0024] Mit dem Triangulationssensor kann auch dann noch gemessen werden, wenn eine leichte Streuung an der Oberfläche stattfindet.

   Der Sensor "sieht" dann zwei benachbarte Lichtflecken, siehe Fig. 5. Aus der Anordnung des Reflektors zum Lichtstrahl und "Spiegel" ergibt sich ob der erste oder der zweite Lichtfleck vom Reflektor kommt. Der richtige Lichtfleck kann im Empfänger ausgewählt werden der korrekte Abstand kann bestimmt werden.

[0025] Natürlich können in diesem Fall wahlweise auch beide Lichtfleck-Informationen ausgewertet werden.

[0026] Nebst den gezeigten Ausführungsbeispielen ist noch eine grosse Vielzahl von weiteren Anordnungen im Rahmen des erfindungsgemässen Handelns möglich. Insbesondere sind auch Anordnungen denkbar, in denen der Lichtstrahl direkt auf den Reflektor gelenkt wird, ohne vorher vom Spiegel reflektiert worden zu sein. Dies kann beispielsweise geschehen, indem die Lichtquelle leicht versetzt "hinter" dem Spiegel angeordnet ist.

   In diesem Fall ist sich auch die leicht geneigte Anordnung des Spiegels nicht mehr unbedingt nötig. Schliesslich sind auch noch Anordnungen denkbar, in welchen der Lichtstrahl vom Spiegel auf einen Reflektor reflektiert wird, wobei das von diesem diffus reflektierte Licht direkt durch die Empfangsoptik erfasst wird. Auch in diesem Fall ist über eine Triangulation ein Rückschluss auf die Position des Spiegels möglich, bzw. es kann eine Aussage darüber gemacht werden, ob der Spiegel in einem bestimmten Bereich ist oder nicht.

[0027] Auch Kombinationen der genannten Ausführungsformen sowie Abwandlungen sind möglich.

Claims (10)

1. Verfahren zur optischen Abstandsmessung zwischen einem Sensor und Gegenständen mit einer mindestens teilweise spiegelnden Oberfläche (12) und/oder zur optischen Erfassung von Gegenständen mit einer mindestens teilweise spiegelnden Oberfläche (12), wobei Licht von einer Lichtquelle (2) über die spiegelnde Oberfläche (12) und über eine diffuse Streuung an einem Reflektor (4), in dieser Reihenfolge oder umgekehrt, und wobei der Reflektor (4) nicht auf der spiegelnden Oberfläche (12) liegt, zu Lichtempfangsmitteln gelenkt und dort erfasst wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vom Reflektor gestreutes Licht durch die spiegelnde Oberfläche (12) so reflektiert wird, dass es zu den Lichtempfangsmitteln gelenkt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das vom Reflektor (4) gestreute Licht von den Lichtempfangsmitteln als Lichtpunkt gesehen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in den Lichtempfangsmitteln (3) der Winkel bestimmt wird, unter dem der Lichtpunkt gesehen wird.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Lichtstrahl (11) durch die spiegelnde Oberfläche so reflektiert wird, dass er auf den Reflektor (4) fällt, und dass vom Reflektor (4) gestreutes Licht des Lichtstrahls über die spiegelnde Oberfläche (12) zu den Lichtempfangsmitteln reflektiert wird.

6. Vorrichtung zur optischen Abstandsmessung zwischen einem Sensor und Gegenständen mit einer mindestens teilweise spiegelnden Oberfläche (12) und/oder zur optischen Erfassung von Gegenständen mit einer mindestens teilweise reflektierenden Oberfläche (12), aufweisend eine Lichtquelle (2) zur Erzeugung eines Lichtstrahls (1), Lichtempfangsmittel und Auswertemittel zum Auswerten von über die Lichtempfangsmittel empfangenen Lichtsignalen, gekennzeichnet durch einen mindestens teilweise diffus streuenden Reflektor (4), wobei der Reflektor (4) nicht auf der spiegelnden Oberfläche (12) liegt, und wobei Licht von der Lichtquelle (2) über den Reflektor (4) und die Oberfläche (12), in dieser Reihenfolge oder umgekehrt, zu den Lichtempfangsmitteln lenkbar ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle, die Lichtempfangsmittel und der Reflektor in einem Sensor integriert sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das vom Reflektor (4) gestreute Licht in dem Lichtempfangsmittel als Lichtpunkt sichtbar ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Lichtempfangsmittel ein Winkel, unter dem der Lichtpunkt gesehen wird, bestimmbar ist.

10. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9 zur Erfassung der Lage einer Silizium-Wafer-Oberfläche.